Unitary fault-tolerant encoding of Pauli states in surface codes

Les ordinateurs quantiques promettent de résoudre des problèmes impossibles pour les machines d'aujourd'hui, de la conception de nouveaux médicaments à la modélisation de matériaux complexes. Cependant, ces machines sont incroyablement fragiles ; le moindre dérangement dû à la chaleur ou aux ondes électromagnétiques peut brouiller l'information qu'elles contiennent. Pour construire un ordinateur quantique utile, les scientifiques doivent protéger ces données délicates en utilisant une méthode appelée correction d'erreurs quantiques. Cette approche fonctionne comme un filet de sécurité, en répartissant une seule unité d'information sur de nombreuses particules physiques afin que, si l'une d'elles échoue, les autres puissent révéler ce qui s'est passé et le réparer. Le schéma le plus populaire pour ce filet de sécurité est appelé le code de surface, qui dispose ces particules dans une grille plate. Bien que les chercheurs aient maîtrisé la lecture des erreurs de cette grille et leur correction, un problème tenace demeure : comment créer initialement les états « logiques » d'information protégés sans introduire de nouvelles erreurs lors du processus de création lui-même.

Pendant des années, la méthode standard pour préparer ces états de départ impliquait un processus en deux étapes. D'abord, les scientifiques fixaient toutes les particules physiques à un état simple et connu. Ensuite, ils effectuaient une série de mesures pour vérifier la stabilité de la grille, en utilisant les résultats pour ajuster le système. Cette méthode fonctionne, mais elle possède un défaut caché. L'acte de mesurer est lent et sujet à ses propres erreurs, et le processus de vérification de la grille peut parfois propager des erreurs que le code ne peut pas détecter. De plus, dans certaines machines quantiques avancées, telles que celles utilisant des ions piégés ou des atomes neutres, l'acte de mesurer est tellement plus lent et bruyant que l'application d'une porte (un commutateur quantique) que la méthode standard devient un goulot d'étranglement. Les chercheurs ont longtemps cherché un moyen de préparer ces états en utilisant uniquement des opérations locales rapides, mais les tentatives précédentes pour le faire ont échoué à maintenir le haut niveau de protection que le code est censé offrir.

Dans une nouvelle étude, une équipe de chercheurs a développé une méthode pour préparer ces états protégés en utilisant uniquement des opérations locales rapides, sans dépendre de mesures durant la phase de création. Ils ont découvert une séquence spécifique d'opérations qui construit l'état complexe et intriqué requis pour le code de surface en partant de zéro. La clé de leur succès réside dans la gestion des connexions entre les particules. Au lieu d'essayer de connecter chaque particule à toutes les autres en même temps, ce qui est physiquement impossible dans de nombreux dispositifs, ils utilisent une approche étape par étape qui respecte la disposition physique de la grille. Ils partent d'un état simple et étendent progressivement les connexions, en ordonnant soigneusement les étapes pour que toute petite erreur survenant durant le processus reste minime et ne se propage pas de manière incontrôlable. Cela garantit que l'état final est aussi bien protégé que s'il avait été créé par la méthode plus lente basée sur la mesure.

Les chercheurs ont testé leur idée à l'aide de simulations informatiques qui modélisaient le comportement des portes quantiques sous des conditions de bruit réalistes. Ils ont comparé leur nouvelle méthode à l'approche standard basée sur la mesure pour des codes de surface de diverses tailles. Les résultats ont montré que pour certains types de matériel quantique, particulièrement ceux où les mesures sont lentes et bruitées, leur nouvelle méthode est nettement meilleure. Dans certains cas, la nouvelle approche a réduit le taux d'erreurs logiques d'un facteur dix par rapport à la méthode standard. Cette amélioration provient de deux facteurs principaux : la nouvelle méthode utilise moins d'opérations au total, ce qui signifie qu'il y a moins de chances que des problèmes surviennent, et elle évite les erreurs qui s'immiscent typiquement lors du transfert des données vers et depuis les dispositifs de mesure.

L'équipe a également exploré deux variations de leur méthode. Une version utilise des particules auxiliaires supplémentaires, appelées ancillas, pour jeter des ponts entre les connexions des principales particules de données. L'autre version, qui a obtenu de meilleurs résultats dans leurs simulations, connecte les particules de données directement entre elles sans ces auxiliaires. Cette connexion directe est possible dans les machines où les particules peuvent être déplacées ou leurs connexions reconfigurées à la volée, comme dans les réseaux d'atomes neutres ou de systèmes d'ions piégés. En éliminant le besoin de particules auxiliaires, les chercheurs ont supprimé toute une classe d'erreurs potentielles, menant à des états de départ plus propres et plus fiables.

Ce travail est particulièrement important pour l'avenir de l'informatique quantique car il offre une voie pratique pour les plateformes matérielles qui éprouvent des difficultés avec les mesures. Bien que la nouvelle méthode soit légèrement plus longue à exécuter que l'approche basée sur la mesure en termes de nombre d'étapes, elle est probablement plus rapide en temps réel pour beaucoup de machines car les étapes qu'elle utilise sont beaucoup plus rapides à exécuter que les mesures lentes et bruitées. Plus important encore, elle résout un problème de sécurité critique : elle garantit que la protection offerte par le code de correction d'erreurs est préservée dès l'instant où l'état est créé. Cela signifie que lorsque l'ordinateur commence ses calculs, il débute avec un état déjà robuste face aux erreurs, plutôt qu'avec un état vulnérable jusqu'à ce qu'un cycle de corrections soit effectué.

Les chercheurs reconnaissent que leur méthode n'est pas une solution universelle pour toutes les architectures quantiques possibles. Par exemple, elle repose sur la capacité d'effectuer des opérations entre des particules voisines, et elle ne résout pas encore le problème de la protection contre tous les types d'erreurs simultanément durant la phase de création. Cependant, en démontant qu'une approche purement opérationnelle et sans mesure peut atteindre le même niveau de sécurité que la méthode traditionnelle, ils ont ouvert une nouvelle porte. Leur travail suggère que pour la prochaine génération de processeurs quantiques, en particulier ceux construits avec des atomes ou des ions, la façon la plus fiable de démarrer un calcul pourrait être de sauter les mesures et de simplement construire l'état avec des portes rapides et précises. Ce changement pourrait réduire considérablement le temps que les ordinateurs quantiques passent à attendre les mesures et abaisser les taux d'erreurs globaux, rapprochant ainsi le rêve de l'informatique quantique tolérante aux fautes de la réalité.