Nouveau paradigme de l’informatique quantique : un matériel révolutionnaire pour un calcul plus rapide

Concept artistique abstrait de technologie quantique

La stratégie de l’informatique quantique utilise un simple champ magnétique pour faire tourner des qubits, tels que les spins des électrons, dans un système quantique naturel.

L’utilisation d’interactions quantiques naturelles permet un calcul plus rapide et plus robuste pour l’algorithme de Grovers et bien d’autres.

Les scientifiques du Laboratoire national de Los Alamos ont mis au point une méthode révolutionnaire

l’informatique quantique
Effectuer des calculs en utilisant des phénomènes de mécanique quantique tels que la superposition et l’intrication.

 » data-gt-translate-attributes= »[« attribute »: »data-cmtooltip », « format »: »html »] »>informatique quantique approche utilisant les interactions quantiques naturelles. Cette méthode promet des qubits à durée de vie plus longue, une résolution efficace des problèmes avec l’algorithme Grovers et une résilience significative aux erreurs.

Une approche théorique potentiellement révolutionnaire du matériel informatique quantique contourne une grande partie de la complexité problématique rencontrée dans les ordinateurs quantiques actuels. La stratégie met en œuvre un algorithme dans les interactions quantiques naturelles pour traiter une variété de problèmes du monde réel plus rapidement que les ordinateurs classiques ou les ordinateurs quantiques conventionnels basés sur des portes.

Notre découverte élimine de nombreuses exigences difficiles en matière de matériel quantique, a déclaré Nikolai Sinitsyn, physicien théoricien au Laboratoire national de Los Alamos. Il est co-auteur d’un article sur cette approche, publié le 14 août dans la revue Examen physique A. Les systèmes naturels, tels que les spins électroniques des défauts du diamant, présentent précisément le type d’interactions nécessaires à notre processus de calcul.

Sinitsyn a déclaré que l’équipe espère collaborer avec des physiciens expérimentaux également à Los Alamos pour démontrer leur approche utilisant des atomes ultra-froids. Les technologies modernes dans le domaine des atomes ultra-froids sont suffisamment avancées pour démontrer de tels calculs avec environ 40 à 60 qubits, a-t-il déclaré, ce qui est suffisant pour résoudre de nombreux problèmes actuellement inaccessibles par le calcul classique ou binaire. Un qubit est l’unité de base de l’information quantique, analogue à un bit dans l’informatique classique familière.

Qubits à durée de vie plus longue

Au lieu de mettre en place un système complexe de portes logiques parmi un certain nombre de qubits qui doivent tous partager une intrication quantique, la nouvelle stratégie utilise un simple champ magnétique pour faire tourner les qubits, tels que les spins des électrons, dans un système naturel. L’évolution précise des états de spin suffit à la mise en œuvre de l’algorithme. Sinitsyn a déclaré que cette approche pourrait être utilisée pour résoudre de nombreux problèmes pratiques proposés pour les ordinateurs quantiques.

L’informatique quantique reste un domaine naissant handicapé par la difficulté de connecter des qubits dans de longues chaînes de portes logiques et de maintenir l’intrication quantique nécessaire au calcul. L’intrication se décompose dans un processus appelé décohérence, lorsque les qubits intriqués commencent à interagir avec le monde extérieur au système quantique de l’ordinateur, introduisant ainsi des erreurs. Cela se produit rapidement, limitant le temps de calcul. La véritable correction d’erreur n’a pas encore été implémentée sur le matériel quantique.

La nouvelle approche repose sur l’intrication naturelle plutôt qu’induite, elle nécessite donc moins de connexions entre les qubits. Cela réduit l’impact de la décohérence. Ainsi, les qubits vivent relativement longtemps, a déclaré Sinitsyn.

Avancées dans les algorithmes quantiques

L’article théorique de l’équipe de Los Alamos a montré comment cette approche pourrait résoudre un problème de partitionnement de nombres à l’aide de l’algorithme de Grovers plus rapidement que les ordinateurs quantiques existants. En tant que l’un des algorithmes quantiques les plus connus, il permet des recherches non structurées sur de grands ensembles de données qui engloutissent les ressources informatiques conventionnelles. Par exemple, a déclaré Sinitsyn, l’algorithme de Grovers peut être utilisé pour répartir le temps d’exécution des tâches de manière égale entre deux ordinateurs, afin qu’elles se terminent en même temps, avec d’autres tâches pratiques. L’algorithme est bien adapté aux ordinateurs quantiques idéalisés et corrigés des erreurs, bien qu’il soit difficile à mettre en œuvre sur les machines actuelles sujettes aux erreurs.

Résilience aux erreurs et simplicité

Les ordinateurs quantiques sont conçus pour effectuer des calculs beaucoup plus rapidement que n’importe quel appareil classique, mais ils ont été extrêmement difficiles à réaliser jusqu’à présent, a déclaré Sinitsyn. Un ordinateur quantique classique met en œuvre des circuits quantiques séquentiels d’opérations élémentaires avec différentes paires de qubits.

Les théoriciens de Los Alamos ont proposé une alternative intéressante.

Nous avons remarqué que pour de nombreux problèmes informatiques célèbres, il suffit d’avoir un système quantique avec des interactions élémentaires, dans lequel un seul spin quantique réalisable avec deux qubits interagit avec le reste des qubits informatiques, a déclaré Sinitsyn. Ensuite, une seule impulsion magnétique qui agit uniquement sur le spin central implémente la partie la plus complexe de l’algorithme quantique de Grovers. Appelée l’oracle de Grovers, cette opération quantique pointe vers la solution souhaitée.

Aucune interaction directe entre les qubits de calcul ni aucune interaction dépendante du temps avec le spin central ne sont nécessaires dans le processus, a-t-il déclaré. Une fois les couplages statiques entre le spin central et les qubits définis, l’ensemble du calcul consiste uniquement à appliquer de simples impulsions de champ externe dépendant du temps qui font tourner les spins, a-t-il déclaré.

Surtout, l’équipe a prouvé que de telles opérations pouvaient être réalisées rapidement. L’équipe a également découvert que leur approche est topologiquement protégée. Autrement dit, il est robuste contre de nombreuses erreurs dans la précision des champs de contrôle et d’autres paramètres physiques, même sans correction d’erreur quantique.

Référence : Oracle Grovers topologiquement protégé pour le problème de partition par Nikolai A. Sinitsyn et Bin Yan, 14 août 2023, Examen physique A.
DOI : 10.1103/PhysRevA.108.022412

Financement : Bureau des sciences du ministère de l’Énergie, Bureau de recherche en informatique scientifique avancée et programme de recherche et de développement dirigé par le laboratoire du Laboratoire national de Los Alamos.

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