Continuous-angle logical rotations in the Steane code

Les ordinateurs quantiques promettent de résoudre des problèmes impossibles pour les machines actuelles, mais ils sont notoirement fragiles. L'information qu'ils détiennent, stockée dans des bits quantiques, peut être facilement brouillée par le moindre dérangement de l'environnement. Pour construire une machine utile, les scientifiques doivent protéger cette information à l'aide de la correction d'erreurs quantiques, une méthode qui répartit une seule pièce de donnée sur de nombreuses particules physiques. Si une particule échoue, les autres peuvent révéler ce qui s'est passé et le réparer sans détruire la donnée. Cependant, effectuer des calculs sur ces données protégées est difficile. Une règle mathématique célèbre, connue sous le nom de théorème d'Eastin-Knill, stipule que l'on ne peut pas effectuer tous les types de calculs possibles sur ces données protégées en utilisant uniquement les méthodes les plus simples et les plus robustes. Généralement, pour contourner cela, les scientifiques doivent utiliser un processus complexe et gourmand en ressources impliquant des états « magiques » spéciaux pour effectuer les calculs manquants.

Des chercheurs cherchaient une manière plus simple d'effectuer ces calculs difficiles, particulièrement pour les ajustements précis et de petite taille nécessaires dans les simulations quantiques. Une nouvelle expérience dirigée par Eric Huang et ses collègues du Joint Center for Quantum Information and Computer Science, en collaboration avec des partenaires d'IonQ et d'autres institutions, a démontré une voie prometteuse. En utilisant un type spécifique de processeur quantique construit à partir d'ions piégés, l'équipe a montré qu'elle pouvait effectuer une gamme continue de rotations logiques sur des données protégées. Ils y sont parvenus non pas en utilisant les états magiques complexes, mais en appliquant une torsion uniforme et simple à toutes les particules physiques à la fois, puis en vérifiant les erreurs. Le résultat est un moyen de régler précisément l'angle de calcul, simplement en ajustant la force de la torsion initiale et en observant les signaux d'erreur qui en découlent.

L'expérience s'est déroulée sur le processeur IonQ Forte, une machine qui utilise des ions individuels suspendus dans le vide comme bits quantiques. Les chercheurs ont encodé un seul bit logique d'information dans un groupe de sept ions physiques en utilisant une méthode appelée code de Steane. Ce code est conçu pour détecter et corriger les erreurs qui pourraient affecter n'importe quel ion individuel. L'équipe a commencé avec un état logique et a appliqué une rotation à chacun des sept ions physiques simultanément. Cette rotation était une variable continue, ce qui signifie qu'ils pouvaient choisir n'importe quel angle, plutôt que d'être limités à quelques étapes fixes. Après cette torsion, ils ont effectué une extraction de syndrome, un processus qui mesure l'état collectif du groupe pour voir si des erreurs se sont produites, sans révéler la donnée réelle stockée.

Le résultat de ce contrôle d'erreur, appelé syndrome, a déterminé le résultat final du calcul. Si la mesure indiquait aucune erreur, le bit logique avait pivoté d'un certain montant. Si la mesure indiquait une erreur, le bit logique avait pivoté d'un montant différent. Crucialement, les chercheurs ont découvert que l'angle de rotation final n'était pas aléatoire ; il était entièrement prévisible en fonction de la torsion physique initiale et du signal d'erreur spécifique observé. En sachant quel signal d'erreur est apparu, ils pouvaient calculer exactement de combien le bit logique avait tourné. Cela leur a permis d'effectuer une rotation logique avec un angle continu, une capacité qui est habituellement interdite pour les opérations simples et corrigées d'erreurs.

Pour vérifier cela, l'équipe a utilisé une technique appelée interférométrie de Ramsey, qui est une façon standard de mesurer de combien un état quantique a pivoté. Ils ont préparé le bit logique dans une position de départ spécifique, ont appliqué la torsion physique et le contrôle d'erreur, puis ont mesuré la position finale. Ils ont répété l'opération de nombreuses fois avec différents angles de torsion et ont observé que le bit logique se déplaçait exactement comme la théorie le prédisait. La rotation était cohérente, ce qui signifie que l'information quantique est restée intacte et que la phase de la fonction d'onde a glissé de manière fluide. Ils ont également réalisé une analyse plus détaillée appelée tomographie de processus, qui cartographie tout le comportement de l'opération. Cela a confirmé que l'opération agissait comme une rotation propre, avec seulement une petite quantité de bruit ajoutée par le matériel imparfait.

Les chercheurs ont ensuite poussé l'expérience plus loin en exécutant deux cycles de ce processus en séquence. Dans le premier cycle, ils ont appliqué une torsion positive, et dans le second, une torsion négative de même taille. Dans un monde idéal, ces deux torsions s'annuleraient, laissant le bit logique exactement là où il avait commencé. L'expérience a montré que cette annulation fonctionnait remarquablement bien lorsque les signaux d'erreur dans les deux cycles indiquaient aucune erreur. Le bit logique est revenu à sa position de départ avec très peu de bruit. Cependant, si une erreur était détectée dans l'un ou l'autre des cycles, l'annulation était imparfaite, et le bit finissait dans un endroit légèrement différent avec plus de bruit. Cela a confirmé que les rotations logiques de chaque cycle s'additionnaient de manière prévisible, et que le système pouvait distinguer les opérations propres de celles affectées par des fautes.

L'étude fournit une preuve de concept que des portes logiques à angle continu peuvent être créées en utilisant uniquement des rotations physiques simples et une correction d'erreurs standard. Bien que l'expérience ait été limitée par la petite taille du code et les contraintes du matériel actuel, elle a démontré que l'idée centrale fonctionne. Le canal logique reconstruit à partir des données correspondait à un modèle où l'angle de rotation dépend du syndrome, et le bruit était cohérent avec un simple déphasage. L'équipe a noté que son implémentation reportait la correction finale à un ordinateur après l'expérience, plutôt que d'appliquer la correction en temps réel, ce qui est une limitation pour les futurs systèmes évolutifs. Néanmoins, les résultats montrent qu'en combinant les rotations transversales avec la correction d'erreurs, il est possible d'accéder à une gamme continue d'opérations logiques sans la lourde surcharge de la distillation d'états magiques.

Ce travail suggère une nouvelle stratégie pour construire des ordinateurs quantiques. Au lieu de compter uniquement sur des méthodes complexes et gourmandes en ressources pour effectuer des calculs non standards, les ingénieurs pourraient être en mesure d'utiliser des contrôles physiques simples et uniformes sur les qubits et laisser le processus de correction d'erreurs faire le plus gros du travail. La capacité de régler l'angle de rotation logique de manière continue est particulièrement précieuse pour les simulations quantiques, où des ajustements précis et de petite taille sont souvent requis. Bien que l'expérience actuelle ait utilisé un code de petite taille et une plateforme matérielle spécifique, le principe sous-jacent pourrait être appliqué à des codes plus larges et plus robustes à l'avenir. Le succès du protocole à deux cycles, où les angles logiques s'additionnaient et s'annulaient comme prévu, indique que cette méthode pourrait être étendue pour construire des séquences d'opérations plus complexes.

Les chercheurs ont souligné que leurs conclusions sont une démonstration du concept plutôt qu'une solution totalement tolérante aux fautes prête pour une utilisation immédiate à grande échelle. Le matériel utilisé présentait des limites quant au nombre de qubits disponibles, ce qui a empêché de mener une version pleinement adaptative du protocole où le système ajuste ses actions en temps réel sur la base des résultats précédents. Ils ont également noté que les branches d'erreur non triviales, où des fautes ont été détectées, présentaient plus de bruit et de distorsion que les branches propres, ce qui est attendu compte tenu de la petite taille du code. Malgré ces limitations, l'expérience a réussi à montrer que l'opération logique est connaissable et contrôlable. L'équipe a conclu qu'avec un meilleur matériel et des codes plus larges, cette approche pourrait devenir une voie viable pour un contrôle logique continu et efficace en informatique quantique.