À l’avenir, les ordinateurs quantiques pourraient être capables de résoudre des problèmes bien trop complexes pour les supercalculateurs les furthermore puissants d’aujourd’hui. Pour réaliser cette promesse, les variations quantiques des codes de correction d’erreurs doivent être capables de prendre en compte les erreurs de calcul as well as rapidement qu’elles ne se produisent.
Cependant, les ordinateurs quantiques actuels ne sont pas encore suffisamment robustes pour réaliser une telle correction d’erreurs à des échelles commercialement pertinentes.
Pour surmonter cet impediment, les chercheurs du MIT ont démontré une nouvelle architecture de qubits supraconducteurs capable d’effectuer des opérations entre les qubits – les éléments constitutifs d’un ordinateur quantique – avec une précision bien supérieure à celle que les scientifiques ont pu obtenir auparavant.
Ils utilisent un sort relativement nouveau de qubit supraconducteur, appelé fluxonium, qui peut avoir une durée de vie beaucoup furthermore longue que les qubits supraconducteurs furthermore couramment utilisés.
Leur architecture implique un élément de couplage spécial entre deux qubits de fluxonium qui leur permet d’effectuer des opérations logiques, appelées portes, de manière très précise. Il supprime un kind d’interaction en arrière-strategy indésirable inclined d’introduire des erreurs dans les opérations quantiques.
Cette approche a permis des portes à deux qubits avec une précision supérieure à 99,9 % et des portes à un seul qubit avec une précision de 99,99 %. De moreover, les chercheurs ont implémenté cette architecture sur une puce en utilisant un processus de fabrication extensible.
« La construction d’un ordinateur quantique à grande échelle commence par des qubits et des portes robustes. Nous avons montré un système à deux qubits très prometteur et exposé ses nombreux avantages pour la mise à l’échelle. Notre prochaine étape consiste à augmenter le nombre de qubits », déclare Leon Ding, PhD. 23 ans, étudiant diplômé en physique dans le groupe Engineering Quantum Systems (EQuS) et auteur principal d’un posting sur cette architecture.
Ding a rédigé l’article avec Max Hays, postdoctorant à l’EQuS Youngkyu Sung PhD ’22 Bharath Kannan PhD ’22, qui est aujourd’hui PDG d’Atlantic Quantum Kyle Serniak, scientifique et chef d’équipe au MIT Lincoln Laboratory et l’auteur principal William D. Oliver, professeur Henry Ellis Warren de génie électrique, d’informatique et de physique, directeur du Centre d’ingénierie quantique, chief de l’EQuS et directeur associé du Laboratoire de recherche en électronique ainsi que d’autres au MIT et au MIT Lincoln Laboratory. La recherche apparaît aujourd’hui dans Actual physical Evaluate X.
Une nouvelle version du qubit de fluxonium
Dans un ordinateur classique, les portes sont des opérations logiques effectuées sur des bits (une série de 1 et de ) qui permettent le calcul. Les portes en informatique quantique peuvent être considérées de la même manière : une porte à un seul qubit est une opération logique sur un qubit, tandis qu’une porte à deux qubits est une opération qui dépend des états de deux qubits connectés.
La fidélité mesure la précision des opérations quantiques effectuées sur ces portes. Les portes offrant la fidélité la additionally élevée probable sont essentielles car les erreurs quantiques s’accumulent de façon exponentielle. Avec des milliards d’opérations quantiques se produisant dans un système à grande échelle, une erreur apparemment minime peut rapidement entraîner la défaillance de l’ensemble du système.
En pratique, on utiliserait des codes correcteurs d’erreurs pour atteindre des taux d’erreur aussi faibles. Cependant, il existe un « seuil de fidélité » que les opérations doivent dépasser pour mettre en œuvre ces codes. De additionally, pousser les fidélités bien au-delà de ce seuil réduit le temps système nécessaire à la mise en œuvre des codes correcteurs d’erreurs.
Depuis additionally d’une décennie, les chercheurs ont principalement utilisé des qubits transmon dans leurs attempts de development d’ordinateurs quantiques. Un autre variety de qubit supraconducteur, connu sous le nom de qubit de fluxonium, est apparu in addition récemment. Il a été démontré que les qubits de Fluxonium ont une durée de vie ou des temps de cohérence as well as longs que les qubits de transmon.
Le temps de cohérence est une mesure de la durée pendant laquelle un qubit peut effectuer des opérations ou exécuter des algorithmes avant que toutes les informations contenues dans le qubit ne soient perdues.
« In addition un qubit vit longtemps, furthermore les opérations qu’il are likely à promouvoir sont as well as fidèles. Ces deux chiffres sont liés. Mais il n’est pas clair, même lorsque les qubits de fluxonium eux-mêmes fonctionnent assez bien, si vous pouvez réaliser de bonnes portes sur eux », a déclaré Ding. dit.
Pour la première fois, Ding et ses collaborateurs ont trouvé un moyen d’utiliser ces qubits à durée de vie in addition longue dans une architecture capable de prendre en charge des portes extrêmement robustes et haute fidélité. Dans leur architecture, les qubits de fluxonium étaient capables d’atteindre des temps de cohérence supérieurs à une milliseconde, soit environ 10 fois plus longs que les qubits transmon traditionnels.
« Au cours des deux dernières années, il y a eu plusieurs démonstrations montrant que le fluxonium surpassait les transmons au niveau d’un seul qubit », explique Hays. « Notre travail montre que cette amélioration des performances peut également être étendue aux interactions entre qubits. »
Les qubits de fluxonium ont été développés en étroite collaboration avec le laboratoire MIT Lincoln (MIT-LL), qui possède une expertise dans la conception et la fabrication de systems de qubits supraconducteurs extensibles.
« Cette expérience était exemplaire de ce que nous appelons le » modèle à une équipe » : l’étroite collaboration entre le groupe EQuS et l’équipe des qubits supraconducteurs du MIT-LL », explique Serniak. « Il convient de souligner ici spécifiquement la contribution de l’équipe de fabrication du MIT-LL : ils ont développé la capacité de construire des réseaux denses de additionally de 100 jonctions Josephson spécifiquement pour les fluxoniums et d’autres nouveaux circuits qubits. »
Une connexion plus forte
Leur nouvelle architecture implique un circuit comportant deux qubits de fluxonium à chaque extrémité, avec un coupleur transmon accordable au milieu pour les relier. Cette architecture fluxonium-transmon-fluxonium (FTF) permet un couplage furthermore fort que les méthodes qui connectent directement deux qubits de fluxonium.
FTF minimise également les interactions indésirables qui se produisent en arrière-strategy lors des opérations quantiques. En règle générale, des couplages furthermore forts entre qubits peuvent conduire à davantage de ce bruit de fond persistant, appelé interactions ZZ statiques. Mais l’architecture FTF remédie à ce problème.
La capacité de supprimer ces interactions indésirables et les temps de cohérence additionally longs des qubits de fluxonium sont deux facteurs qui ont permis aux chercheurs de démontrer une fidélité de porte à un qubit de 99,99 % et une fidélité de porte à deux qubits de 99,9 %.
Ces fidélités de porte sont bien supérieures au seuil nécessaire pour certains codes correcteurs d’erreurs courants et devraient permettre la détection d’erreurs dans des systèmes à in addition grande échelle.
« La correction des erreurs quantiques renforce la résilience du système grâce à la redondance. En ajoutant davantage de qubits, nous pouvons améliorer les performances globales du système, à ailment que les qubits soient individuellement « assez bons ». Pensez à essayer d’accomplir une tâche avec une salle remplie d’enfants de maternelle. C’est beaucoup de chaos, et ajouter additionally d’enfants de maternelle n’améliorera pas les choses », explique Oliver. « Cependant, plusieurs étudiants diplômés matures travaillant ensemble conduisent à des performances qui dépassent celles de chacun des individus – c’est le thought du seuil. Bien qu’il reste encore beaucoup à faire pour construire un ordinateur quantique extensible, cela start par avoir des opérations quantiques de haute qualité qui sont bien au-dessus du seuil.
S’appuyant sur ces résultats, Ding, Sung, Kannan, Oliver et d’autres ont récemment fondé une startup d’informatique quantique, Atlantic Quantum. La société cherche à utiliser les qubits de fluxonium pour construire un ordinateur quantique feasible pour des purposes commerciales et industrielles.
« Ces résultats sont immédiatement applicables et pourraient changer l’état de l’ensemble du domaine. Cela montre à la communauté qu’il existe une autre voie à suivre. Nous croyons fermement que cette architecture, ou quelque selected comme celle-ci utilisant des qubits de fluxonium, est très prometteuse en termes de construire un ordinateur quantique utile et tolérant aux pannes », déclare Kannan.
Même si un tel ordinateur ne sera probablement pas disponible avant 10 ans, cette recherche constitue un pas important dans la bonne way, ajoute-t-il. Ensuite, les chercheurs prévoient de démontrer les avantages de l’architecture FTF dans les systèmes comportant as well as de deux qubits connectés.
Ce travail a été financé en partie par le Bureau de recherche de l’armée américaine, le sous-secrétaire à la Défense pour la recherche et l’ingénierie, une bourse de doctorat IBM, la Fondation coréenne pour les études avancées et le programme de bourses d’études supérieures en sciences et ingénierie de la défense nationale.
