Les physiciens font un pas vers l’informatique quantique tolérante aux pannes | Chronique de Cornell

Certains ordinateurs classiques ont une correction d’erreurs intégrée dans leurs mémoires basées sur des bits ; les ordinateurs quantiques, pour fonctionner à l’avenir, auront également besoin de mécanismes de correction d’erreurs, basés sur des qubits beaucoup plus sensibles.

Les chercheurs de Cornell ont récemment fait un pas vers l’informatique quantique tolérante aux pannes : ils ont construit un modèle simple contenant des particules exotiques appelées anyons non abéliens, suffisamment compact et pratique pour fonctionner sur du matériel quantique moderne. La réalisation de ces particules, qui ne peuvent exister qu’en deux dimensions, est un pas vers leur mise en œuvre dans le monde réel.

Grâce à une réflexion créative, Yuri Lensky, ancien boursier postdoctoral en physique de l’Institut Bethe/Wilkins/Kavli de Cornell (KIC) au Collège des arts et des sciences (A&S), a collaboré avec Eun-Ah Kim, professeur de physique (A&S) , a proposé une recette simple qui pourrait être utilisée pour un calcul robuste avec des anyons non abéliens, y compris des instructions spécifiques pour exécuter l’effet expérimentalement sur les appareils disponibles aujourd’hui.

Leur article, Graph Gauge Theory of Mobile Non-Abelian Anyons in a Qubit Stabilizer Code, écrit en collaboration avec des théoriciens de Google Quantum AI, publié le 24 mars dans Annals of Physics. Les chercheurs de Google Quantum AI, en collaboration avec Lensky et Kim, ont prouvé la théorie avec une expérience réussie, comme indiqué dans une publication préimprimée, Observation of Non-Abelian Exchange Statistics on a Superconducting Processor, sur la plateforme de partage de recherche arXiv.

Cet état bidimensionnel est intéressant à la fois du point de vue de la physique quantique de la matière condensée, il possède de nouvelles propriétés très particulières à la physique 2D et du point de vue de l’information quantique, a déclaré Lensky. C’est quelque chose de vraiment quantique, mais c’est aussi potentiellement utile pour le calcul quantique. Il protège des bits d’informations quantiques en les stockant de manière non locale, et notre protocole nous permet de calculer avec ces bits.

Kim a expliqué le principe qui anime les anyons non abéliens en tenant deux haltères identiques d’une livre. Lorsqu’elle croise les bras, les haltères identiques changent de position, mais en tant qu’objets définis par la physique classique, leur état reste le même. Ils sont interchangeables.

Si ces haltères représentent deux particules quantiques identiques, remarquablement dans certains systèmes 2D, leurs traînées à travers l’espace-temps peuvent produire un enregistrement mesurable du changement (photo les bras croisés). Ce processus d’échange s’appelle une tresse, d’après les formes de la particule les sentiers.

Mécanique quantique, lorsque vous déplacez une particule autour de l’autre, a déclaré Kim, en maintenant un poids immobile et en déplaçant l’autre en cercle autour de lui, la fonction d’onde, qui est une solution à l’équation de Schrdinger décrivant le mouvement mécanique quantique, peut être multipliée par un facteur de phase ou cela peut devenir quelque chose de très différent.

Lorsque la fonction d’onde acquiert un signe global qui ne peut être observé que par interférométrie, une mesure de l’interférence des ondes, c’est ce qu’on appelle un anyon abélien. Lorsque la fonction d’onde devient sensiblement différente, c’est un anyon non abélien, a-t-elle déclaré.

Les anyons non abéliens pourraient être exploités pour créer des qubits définis non pas sur une seule particule, mais sur une paire de particules quantiques identiques : codées de manière non locale.

Si je mets le qubit partagé entre ces particules dans un état zéro et que je les écarte, alors quoi qu’il arrive localement à l’un de ces anyons, l’état zéro restera. Le qubit mis à zéro est à l’abri de la corruption, a déclaré Kim. Les anyons non abéliens pourraient être utilisés dans une plate-forme pour les qubits protégés.

Mais alors que les physiciens ont théorisé sur ces particules exotiques pendant des années, Alexei Kitaev a proposé d’opérer sur des bits protégés de mémoire quantique en tressant des anyons non abéliens vers 2001, Lensky a déclaré qu’ils n’avaient jamais été observés dans un système physique auparavant.

Lorsque Google Quantum AI a développé les capacités de la plate-forme de processeur quantique pour réaliser le code de surface et le tressage des anyons abéliens dans un système physique, a déclaré Lensky, c’était [our] inspiration pour chercher un moyen de réaliser la physique des anyons non abéliens dès que possible.

Nous savions qu’ils avaient les ingrédients de travail, mais ils n’avaient pas de recette, a déclaré Kim. Nous avons compris comment déplacer ces anyons non abéliens, puis nous avons dit aux expérimentateurs quoi faire. C’était possible parce que Yuri et moi pensions de manière flexible, créative et ouverte d’esprit.

Les recherches théoriques passées ont identifié des propriétés non abéliennes, mais n’ont pas trouvé comment les déplacer, une étape nécessaire. Une idée clé de Lensky et Kim était d’abandonner la régularité d’une grille et d’organiser les qubits d’une manière presque dessinée à la main mais soutenue par des mathématiques robustes.

Après cet aperçu géométrique simple, en utilisant la théorie de jauge, nous avons pu proposer le protocole de prise de cette image et de l’implémenter sur une puce de manière robuste et efficace, a déclaré Kim. Avec ce système à 10 qubits, nous avons pu encoder plusieurs anyons non abéliens, et donc plusieurs qubits logiques porteurs d’informations, et une recette précise de ce que les expérimentateurs doivent faire à chaque étape du processus.

Bien que l’objectif de la théorie et de l’expérience soit simplement de réaliser des anyons non abéliens dans le monde réel, cela peut également être considéré comme un premier petit pas vers la mise en œuvre du calcul par tressage, a déclaré Lensky.

Cette recherche a été soutenue par une subvention A&S New Frontier ; une bourse de recherche Ewha Frontier 10-10 ; la bourse Simons en physique théorique; et la Fondation nationale des sciences.

Kate Blackwood est écrivain pour le College of Arts and Sciences.