Sampling hard circuits with verifiably high fidelity
Cet article introduit une méthode utilisant des circuits structurés et corrigés d'erreurs pour atteindre simultanément une dureté computationnelle prouvable, une génération d'états quantiques de haute fidélité et une certification de fidélité vérifiable, démontrée expérimentalement avec un circuit de Clifford de 70 qubits qui produit une borne inférieure de fidélité d'état de 0,284.
Article original sous licence CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Ceci est une explication générée par l'IA de l'article ci-dessous. Elle n'a pas été rédigée ni approuvée par les auteurs. Pour une précision technique, consultez l'article original. Lire la clause de non-responsabilité complète
Imaginez que vous essayez de prouver qu'une nouvelle voiture de course super rapide est réellement plus rapide que le meilleur vélo du monde. Vous ne pouvez pas simplement dire « elle a l'air rapide » ; vous devez réellement faire la course avec eux. Mais voici le piège : la voiture de course est si complexe et fragile que si vous la conduisez trop vite, elle commence à se désagréger sous l'effet des vibrations, et si vous essayez de mesurer sa vitesse avec un chronomètre standard, le chronomètre lui-même pourrait se casser ou donner une lecture erronée. C'est l'état actuel de l'informatique quantique. Des scientifiques ont construit des machines dotées de centaines de minuscules « qubits » capables d'effectuer des calculs impossibles pour les ordinateurs classiques, mais ces machines sont bruyantes et sujettes aux erreurs. La grande question est la suivante : comment pouvons-nous prouver que nous effectuons réellement un calcul quantique qu'un ordinateur classique ne pourrait pas copier, sans que les propres erreurs de la machine ne gâchent la preuve ?
Pour comprendre la solution, nous devons savoir quelques choses. Premièrement, l'« échantillonnage » revient à lancer un dé bizarre à multiples faces des millions de fois pour voir quels numéros apparaissent. Les ordinateurs quantiques sont excellents pour lancer ces dés de manières qui sont incroyablement difficiles à prédire pour les ordinateurs classiques. Deuxièmement, la « fidélité » est juste un mot sophistiqué pour dire « à quel point le résultat correspond à ce que nous attendions ». Si un ordinateur quantique est bruyant, le résultat est de « faible fidélité », comme une photo floue. Enfin, la « détection d'erreurs » est un moyen de vérifier si la machine a commis une erreur pendant la course. Si elle en a commis une, nous pouvons jeter ce résultat de course spécifique et recommencer, en ne gardant que les résultats propres. Le défi a été que les méthodes utilisées pour vérifier les erreurs rendent souvent l'ordinateur quantique trop lent ou trop simple pour être intéressant, tandis que les problèmes super complexes sont généralement trop désordonnés pour permettre la vérification des erreurs.
Ce document présente une nouvelle façon ingénieuse de résoudre ce casse-tête. Les chercheurs, travaillant avec les processeurs quantiques d'IBM, ont créé un type spécial de circuit quantique qui est à la fois incroyablement difficile à simuler pour les ordinateurs classiques et qui possède un « détecteur de vérité » intégré. Ils appellent cette méthode l'« Échantillonnage de Clifford Dopé » (DCS). Pensez à un circuit quantique standard comme à un immense flocon de neige parfaitement symétrique. Il est magnifique et facile à décrire, mais un ordinateur classique peut facilement comprendre à quoi il ressemble. Pour le rendre difficile, les scientifiques ont « dopé » le flocon de neige avec quelques ingrédients spéciaux et désordonnés (appelés portes T) qui brisent la symétrie. Cela rend le motif si complexe qu'aucun supercalculateur ne pourrait prédire le résultat.
Le tour de magie réside dans la manière dont ils ont vérifié le résultat. Habituellement, l'ajout de ces ingrédients désordonnés rend impossible la vérification du bon fonctionnement de la machine. Mais l'équipe a utilisé un « code espace-temps » spécial, qui est comme envelopper le flocon de neige dans un filet protecteur et auto-vérificateur. Ce filet possède des capteurs (appelés syndromes) qui peuvent dire si un morceau du flocon de neige s'est cassé pendant la course. Si les capteurs indiquent « tout est en ordre », ils conservent le résultat ; s'ils disent « cassé », ils jettent le résultat. Parce que les ingrédients désordonnés ont été ajoutés à des endroits très spécifiques qui ne brisent pas le filet, l'équipe a pu prouver que les résultats « tout est en ordre » étaient en réalité des états quantiques de haute qualité.
Dans leur expérience, ils ont construit un circuit avec 70 qubits (les roues de la voiture de course) et l'ont fait fonctionner sur 70 étapes de profondeur, en ajoutant 468 de ces portes « désordonnées » T spéciales. Ils ont utilisé 97 qubits physiques au total pour créer leur filet protecteur. Après avoir filtré les erreurs, ils ont réussi à produire un état quantique avec une « limite inférieure de fidélité » de 0,284. Cela signifie qu'ils sont sûrs à 95 % que le résultat obtenu est au moins 28,4 % similaire au résultat théorique parfait. Bien que cela puisse paraître faible, dans le monde des ordinateurs quantiques bruyants, c'est un exploit majeur car cela prouve qu'ils ont réussi à exécuter un calcul complexe, vérifié par erreur, qui prendrait un temps impossible à un ordinateur classique pour simuler.
L'équipe n'a pas seulement supposé que cela fonctionnait ; ils ont validé cela de plusieurs manières. Ils ont testé des versions plus petites de l'expérience où ils pouvaient mesurer directement les résultats et ont constaté que leur méthode tenait la route. Ils ont également montré que le « bruit » de leur machine n'a pas modifié le fonctionnement du filet protecteur, même après l'ajout des ingrédients désordonnés. Ils ont estimé que la simulation de leur expérience spécifique sur un ordinateur classique serait irréalisable pour la technologie actuelle, démontrant ainsi efficacement un « avantage quantique » où la machine quantique fait quelque chose qu'une machine classique ne peut pas faire, tout en fournissant un certificat qui dit : « Oui, ceci est réel, et voici la preuve ».
Ce travail est une étape importante car il comble le fossé entre deux mondes : le monde des problèmes « difficiles » qui prouvent la suprématie quantique, et le monde de l'informatique « fiable » dont nous avons besoin pour l'avenir. Il montre que nous n'avons pas à choisir entre faire quelque chose d'impossible à simuler et faire quelque chose en quoi nous pouvons avoir confiance. En utilisant ces circuits structurés et vérifiés par erreur, les chercheurs ont ouvert la porte à l'exécution de calculs quantiques plus profonds et plus complexes que nous pouvons réellement vérifier, nous rapprochant du jour où les ordinateurs quantiques pourront résoudre des problèmes du monde réel sans que nous ayons à les croire sur parole.
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