Le processeur 127 qubits d'IBM montre un avantage quantique sans correction d'erreur – Physics World

Le processeur 127 qubits d'IBM montre un avantage quantique sans correction d'erreur – Physics World

Horodatage: 26 juin 2023 3:30

IBM Aigle
Bruyant mais agréable : gros plan d'une partie du processeur quantique Eagle d'IBM, qui a été utilisé dans cette dernière recherche. (Avec l'aimable autorisation d'IBM)

Un processeur quantique de 127 qubits a été utilisé par une équipe internationale de chercheurs pour calculer les propriétés magnétiques d'un matériau modèle 2D. Ils ont découvert que leur ordinateur quantique IBM pouvait effectuer un calcul qu'un ordinateur conventionnel ne pouvait tout simplement pas, montrant ainsi que leur processeur offrait un avantage quantique par rapport aux systèmes actuels, du moins pour cette application particulière. De plus, le résultat a été obtenu sans qu'il soit nécessaire de corriger les erreurs quantiques.

Les ordinateurs quantiques du futur pourraient résoudre certains problèmes complexes qui dépassent les capacités des ordinateurs conventionnels, même les plus puissants - une réalisation qualifiée d'avantage quantique. Les physiciens pensent que les futurs appareils devraient combiner environ un million de bits quantiques (ou qubits) pour obtenir cet avantage. Aujourd'hui, cependant, le plus grand processeur quantique contient moins de 1000 qubits.

Un défi important dans l'utilisation des ordinateurs quantiques est que les qubits d'aujourd'hui sont très sujets aux erreurs, qui peuvent rapidement détruire un calcul quantique. Les techniques de correction d'erreur quantique (QEC) peuvent être utilisées pour traiter le bruit dans une technique appelée informatique quantique tolérante aux pannes. Cela implique d'utiliser un grand nombre de qubits pour créer un « qubit logique » beaucoup moins sujet aux erreurs. En conséquence, beaucoup de matériel est nécessaire pour effectuer des calculs et certains experts estiment que de nombreuses années de développement seront nécessaires avant que l'utilisation généralisée de cette technique ne soit possible.

Maintenant, cependant, une équipe dirigée par des chercheurs d'IBM a montré que l'avantage quantique peut être atteint sans avoir besoin de QEC. L'équipe a utilisé un processeur quantique de 127 qubits pour calculer l'aimantation d'un matériau à l'aide d'un modèle d'Ising 2D. Ce modèle représente les propriétés magnétiques d'un matériau 2D à l'aide d'un réseau de spins quantiques qui interagissent avec leurs plus proches voisins. Bien qu'il soit très simple, le modèle est extrêmement difficile à résoudre.

Annulation du bruit

Les chercheurs ont utilisé une approche appelée "calcul quantique à échelle intermédiaire bruyante", qui a déjà été utilisée pour effectuer certains calculs de chimie. Il s'agit d'une course contre la montre dans laquelle le calcul se déroule rapidement pour éviter une accumulation d'erreurs. Au lieu de créer un processeur quantique universel, les chercheurs ont encodé le modèle d'Ising directement sur les qubits eux-mêmes. Ils l'ont fait pour tirer parti des similitudes dans la nature mécanique quantique des qubits et du modèle simulé - ce qui a conduit à un résultat significatif sans l'utilisation de QEC.

Pour effectuer le calcul, l'équipe d'IBM a utilisé une puce de processeur quantique supraconducteur qui comprend 127 qubits. La puce exécute des circuits quantiques de 60 couches de profondeur avec un total d'environ 2800 portes à deux qubits, qui sont l'analogue quantique des portes logiques conventionnelles. Le circuit quantique génère de grands états quantiques très intriqués qui ont été utilisés pour programmer le modèle 2D d'Ising. Cela se fait en effectuant une séquence d'opérations sur les qubits et les paires de qubits. Des mesures de haute qualité ont été possibles grâce aux longs temps de cohérence des qubits et parce que les portes à deux qubits ont toutes été calibrées pour permettre un fonctionnement simultané optimal.

Atténuation, pas correction

Ces méthodes suppriment une grande partie du bruit, mais les erreurs restaient un problème important. Pour résoudre ce problème, l'équipe IBM a appliqué un processus d'atténuation des erreurs quantiques à l'aide d'un ordinateur conventionnel. Il s'agit d'une technique de post-traitement qui utilise un logiciel pour compenser le bruit, permettant ainsi le calcul correct de l'aimantation.

Les calculs quantiques de l'équipe ont montré un net avantage par rapport aux ordinateurs conventionnels, mais cet avantage n'est pas entièrement lié à la vitesse de calcul. Au lieu de cela, cela vient de la capacité du processeur 127 qubits à coder un grand nombre de configurations du modèle Ising – quelque chose que les ordinateurs n'auraient pas assez de mémoire pour réaliser.

IBM Kristan Temmé, qui est co-auteur d'un Nature papier qui décrit les travaux, estime que la recherche est une étape décisive vers la mise en œuvre d'algorithmes quantiques à court terme plus généraux avant que les ordinateurs quantiques tolérants aux pannes ne deviennent disponibles. Il dit que l'équipe a montré qu'il est possible d'obtenir des valeurs d'attente précises du système modèle à partir de circuits qui ne sont limités que par le temps de cohérence du matériel. Il appelle leur méthode d'atténuation des erreurs quantiques "l'ingrédient essentiel" pour de telles applications dans un avenir proche. "Nous sommes très impatients de mettre ce nouvel outil à utiliser et d'explorer lequel des nombreux algorithmes quantiques à court terme proposés sera en mesure de fournir un avantage sur les méthodes classiques actuelles dans la pratique", a-t-il déclaré. Monde de la physique.

Jean Preskill du California Institute of Technology aux États-Unis, qui n'a pas participé à cette recherche, se dit « impressionné » par la qualité des performances de l'appareil, qu'il considère comme la réalisation la plus importante de l'équipe. Il ajoute que les résultats renforcent la preuve que les ordinateurs quantiques à court terme peuvent être utilisés comme instruments d'exploration et de découverte de la physique.

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