Nouveau paradigme de l'informatique quantique : le jeu

Par Laboratoire national de Los Alamos26 août 2023

La stratégie de l’informatique quantique utilise un simple champ magnétique pour faire tourner des qubits, tels que les spins des électrons, dans un système quantique naturel.

L'utilisation d'interactions quantiques naturelles permet des calculs plus rapides et plus robustes pour l'algorithme de Grover et bien d'autres.

Los Alamos National Laboratory scientists have developed a groundbreaking quantum computingPerforming computation using quantum-mechanical phenomena such as superposition and entanglement." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> approche informatique quantique utilisant les interactions quantiques naturelles. Cette méthode promet des qubits à durée de vie plus longue, une résolution efficace des problèmes avec l'algorithme de Grover et une résilience significative aux erreurs.

Une approche théorique potentiellement révolutionnaire du matériel informatique quantique contourne une grande partie de la complexité problématique rencontrée dans les ordinateurs quantiques actuels. La stratégie met en œuvre un algorithme dans les interactions quantiques naturelles pour traiter une variété de problèmes du monde réel plus rapidement que les ordinateurs classiques ou les ordinateurs quantiques conventionnels basés sur des portes.

"Notre découverte élimine de nombreuses exigences difficiles en matière de matériel quantique", a déclaré Nikolai Sinitsyn, physicien théoricien au Laboratoire national de Los Alamos. Il est co-auteur d’un article sur cette approche, publié le 14 août dans la revue Physical Review A. « Les systèmes naturels, tels que les spins électroniques des défauts du diamant, ont précisément le type d’interactions nécessaires à notre processus de calcul. »

Sinitsyn a déclaré que l'équipe espère collaborer avec des physiciens expérimentaux également à Los Alamos pour démontrer leur approche utilisant des atomes ultra-froids. Les technologies modernes dans le domaine des atomes ultra-froids sont suffisamment avancées pour démontrer de tels calculs avec environ 40 à 60 qubits, a-t-il déclaré, ce qui est suffisant pour résoudre de nombreux problèmes actuellement inaccessibles par le calcul classique ou binaire. Un qubit est l’unité de base de l’information quantique, analogue à un bit dans l’informatique classique familière.

Au lieu de mettre en place un système complexe de portes logiques parmi un certain nombre de qubits qui doivent tous partager une intrication quantique, la nouvelle stratégie utilise un simple champ magnétique pour faire tourner les qubits, tels que les spins des électrons, dans un système naturel. L’évolution précise des états de spin suffit à la mise en œuvre de l’algorithme. Sinitsyn a déclaré que cette approche pourrait être utilisée pour résoudre de nombreux problèmes pratiques proposés pour les ordinateurs quantiques.

L'informatique quantique reste un domaine naissant handicapé par la difficulté de connecter des qubits dans de longues chaînes de portes logiques et de maintenir l'intrication quantique nécessaire au calcul. L'intrication se décompose dans un processus appelé décohérence, lorsque les qubits intriqués commencent à interagir avec le monde extérieur au système quantique de l'ordinateur, introduisant ainsi des erreurs. Cela se produit rapidement, limitant le temps de calcul. La véritable correction d’erreur n’a pas encore été implémentée sur le matériel quantique.

La nouvelle approche repose sur l’intrication naturelle plutôt qu’induite, elle nécessite donc moins de connexions entre les qubits. Cela réduit l’impact de la décohérence. Ainsi, les qubits vivent relativement longtemps, a déclaré Sinitsyn.

L'article théorique de l'équipe de Los Alamos a montré comment cette approche pourrait résoudre un problème de partitionnement de nombres en utilisant l'algorithme de Grover plus rapidement que les ordinateurs quantiques existants. En tant que l’un des algorithmes quantiques les plus connus, il permet des recherches non structurées sur de grands ensembles de données qui engloutissent les ressources informatiques conventionnelles. Par exemple, a déclaré Sinitsyn, l'algorithme de Grover peut être utilisé pour répartir le temps d'exécution des tâches de manière égale entre deux ordinateurs, afin qu'elles se terminent en même temps, avec d'autres tâches pratiques. L'algorithme est bien adapté aux ordinateurs quantiques idéalisés et corrigés des erreurs, bien qu'il soit difficile à mettre en œuvre sur les machines actuelles sujettes aux erreurs.

Les ordinateurs quantiques sont conçus pour effectuer des calculs beaucoup plus rapidement que n'importe quel appareil classique, mais ils ont été extrêmement difficiles à réaliser jusqu'à présent, a déclaré Sinitsyn. Un ordinateur quantique conventionnel implémente des circuits quantiques – des séquences d'opérations élémentaires avec différentes paires de qubits.