Photon-stimulated decay of $χ$-matched ancillas causes unheralded bit flips in bosonic codes

Dans la quête de la construction d'un ordinateur quantique capable de résoudre des problèmes hors de portée des machines classiques, les scientifiques font face à un ennemi implacable : le bruit. L'information quantique est incroyablement fragile, facilement perturbée par la moindre vibration ou fluctuation de son environnement. Pour protéger ces données délicates, les chercheurs ont développé une stratégie appelée correction d'erreurs. Au lieu de chercher à rendre les composants physiques parfaits, ils répartissent une seule unité d'information, appelée qubit logique, sur de nombreux composants physiques. Si une partie échoue, le système peut détecter l'erreur et la corriger sans détruire l'information. Une approche prometteuse utilise la lumière piégée à l'intérieur d'une cavité micro-onde, stockant les données dans le nombre de photons, ou particules de lumière, qui rebondissent à l'intérieur. Pour vérifier si les données sont toujours en sécurité, le système a besoin d'un assistant, un petit dispositif quantique appelé ancilla, qui agit comme un capteur pour lire l'état de la lumière sans la toucher directement.

Pendant des années, les ingénieurs se sont appuyés sur un type spécifique d'assistant, un circuit supraconducteur connu sous le nom de transmon, qui a été réglé de telle sorte que ses niveaux d'énergie correspondent à la lumière de manière très précise. Cette correspondance était considérée comme un bouclier parfait. La théorie soutenait que si l'assistant commettait une erreur et descendait à un état d'énergie inférieur, le système le saurait immédiatement et pourrait le corriger, ou que certaines erreurs dangereuses étaient physiquement impossibles en raison des règles de symétrie régissant le système. Cette conception a été utilisée dans de vrais processeurs quantiques, tels que le code de répétition Ocelot développé par les chercheurs d'AWS, où il a réussi à stocker des informations pendant des millisecondes. L'hypothèse prédominante était que les erreurs de l'assistant étaient indépendantes de la quantité de lumière stockée ; plus il y avait de lumière, meilleure était la protection, et le comportement de l'assistant restait constant.

Cependant, une nouvelle analyse d'Aleksandr Gulkanov, de l'Université Rice, suggère que ce bouclier présente une fissure cachée. En examinant de près la façon dont l'assistant interagit avec la lumière à l'intérieur de la cavité, le chercheur a découvert que les photons mêmes destinés à protéger les données peuvent en fait déclencher un type spécifique de défaillance chez l'assistant. L'étude montre que lorsque la cavité est remplie de photons, l'assistant peut subir une transition qui était auparavant considérée comme interdite. Dans ce processus, l'assistant descend à un état d'énergie inférieur tout en ajoutant simultanément un photon au champ lumineux. Crucialement, cet événement se produit sans aucun signal d'alerte pour l'ordinateur. Le système ne sait pas qu'une erreur s'est produite, et parce que l'état de l'assistant change d'une manière qui confond les données, il inverse l'information stockée. C'est une erreur silencieuse, une erreur que l'ordinateur ne peut ni détecter ni corriger.

Les chercheurs n'ont pas seulement proposé cette idée de manière théorique ; ils ont construit un modèle détaillé du dispositif Ocelot réel pour voir comment ce canal caché se comporterait dans une machine réelle. Ils ont découvert que le taux de ces erreurs silencieuses dépend directement du nombre de photons dans la cavité. À mesure que la quantité de lumière stockée augmente, la probabilité de cette défaillance spécifique croît. Il s'agit d'un écart significatif par rapport aux modèles précédents, qui supposaient que le taux d'erreur resterait stable quelle que soit l'intensité de la lumière. Dans leurs simulations, l'équipe a observé que pour le dispositif Ocelot, la probabilité d'un basculement de bit causé par ce mécanisme augmente linéairement à mesure que le nombre de photons passe de quatre à dix. Cette croissance signifie que le simple fait d'ajouter plus de lumière pour renforcer le code finit par heurter un mur. Au lieu que le taux d'erreur continue de chuter de manière exponentielle comme espéré, il commence à grimper, créant un plancher en dessous duquel le système ne peut descendre.

Cette découverte remet en question la compréhension actuelle de l'optimisation de ces codes quantiques. L'étude indique qu'il existe une taille optimale pour le stockage de la lumière, un nombre spécifique de photons où le taux d'erreur est le plus bas. Dépasser ce point, en essayant de stocker plus de lumière pour obtenir plus de protection, rend en réalité le système plus vulnérable à ce type spécifique de bruit. Les chercheurs ont calculé que pour les dispositifs actuellement utilisés, cette limite pourrait plafonner la capacité du système à distinguer différents types d'erreurs, limitant ainsi de fait les performances de l'ordinateur. Ils ont également noté que, bien que l'effet soit faible dans les expériences actuelles, qui n'ont testé que jusqu'à quatre photons, la tendance est claire dans leur modèle. Si la technologie passe à l'échelle supérieure pour stocker plus de lumière, ce mode de défaillance silencieuse deviendra la source dominante d'erreurs, dépassant les autres problèmes connus.

L'article explore également pourquoi cela se produit. Il s'avère que l'assistant et la lumière ne sont pas seulement assis l'un à côté de l'autre ; ils sont profondément entrelacés. La présence de la lumière modifie le paysage énergétique de l'assistant, permettant un chemin de décroissance qui est bloqué lorsque la lumière est absente. Ce chemin est piloté par le bruit électrique, un bourdonnement de fond commun dans ces circuits. Lorsque la lumière est présente, elle agit comme un catalyseur, stimulant l'assistant pour qu'il effectue un saut qu'il ne ferait pas de lui-même. Les chercheurs ont montré que cet effet est inévitable pour le type d'assistant actuellement utilisé, quelle que soit la force de la connexion entre l'assistant et la lumière. Les seules façons de réduire ce risque sont de changer la conception de l'assistant, d'utiliser un type de circuit entièrement différent, ou d'accepter qu'il existe une limite à la quantité de lumière pouvant être utilisée pour la protection.

Les conclusions ont des implications immédiates pour la conception des futurs ordinateurs quantiques. Les ingénieurs qui prévoyaient d'augmenter la taille de ces codes basés sur la lumière pour améliorer leurs performances devront peut-être reconsidérer leurs stratégies. L'étude suggère que pousser pour des codes plus larges sans traiter cette interaction spécifique pourrait conduire à des rendements décroissants, voire à des performances moins bonnes. Les chercheurs soulignent que leur travail est une simulation basée sur la physique connue du dispositif Ocelot, calibrée par rapport aux mesures statiques du matériel. Bien que la croissance réelle des erreurs n'ait pas encore été observée dans les expériences, car les dispositifs actuels n'ont pas été testés avec assez de lumière pour voir la tendance, le cadre théorique est robuste. Le modèle prédit que si les expériences étaient étendues à des nombres de photons plus élevés, le taux d'erreur augmenterait, confirmant l'existence de ce nouveau canal.

En fin de compte, ce travail sert de rappel que dans les systèmes quantiques, les outils utilisés pour protéger l'information peuvent parfois devenir la source de sa destruction. Les photons qui stabilisent le code ouvrent également une porte par laquelle le bruit peut s'infiltrer. En identifiant ce mécanisme, l'étude fournit une cible claire pour les améliorations futures. Elle indique aux chercheurs que pour construire de meilleurs ordinateurs quantiques, ils doivent regarder au-delà de la simple idée que « plus de lumière est préférable » et plutôt se concentrer sur la danse complexe entre l'assistant et les données qu'il est censé protéger. La voie à suivre consiste soit à redessiner l'assistant pour éviter cette interaction, soit à trouver de nouvelles façons de gérer le bruit qui la provoque, garantissant ainsi que la prochaine génération de machines quantiques puisse véritablement exploiter la puissance de la lumière sans en être victime.