Mémoire d’initié
- Une équipe dirigée par l’Université du Zhejiang rapporte l’intégration d’une technique d’atténuation des erreurs appelée extrapolation sans bruit (ZNE) avec des circuits de correction d’erreurs pour les qubits logiques, réduisant ainsi les erreurs résiduelles et faisant progresser l’informatique quantique tolérante aux pannes.
- Les chercheurs ont appliqué le ZNE aux circuits de répétition et de code de surface sur des processeurs supraconducteurs, démontrant ainsi sa capacité à supprimer les erreurs logiques et à rester efficace même dans la correction d’erreurs à plusieurs tours.
- Bien que prometteuse, l’étude met en évidence des défis tels que l’évolutivité du ZNE, l’augmentation des coûts de calcul et la dépendance à l’égard d’une modélisation précise du bruit, soulignant la nécessité d’innovations continues dans le matériel et les méthodes quantiques.
Une équipe dirigée par l’Université du Zhejiang rapporte avoir intégré une technique d’atténuation des erreurs appelée extrapolation sans bruit (ZNE) avec des circuits de correction d’erreurs pour les qubits logiques, réduisant ainsi avec succès les erreurs résiduelles, selon une étude sur arXiv.
En ciblant les qubits logiques – qui sont des unités corrigées des erreurs essentielles aux systèmes quantiques évolutifs – les chercheurs ont pu réduire les erreurs résiduelles, même si les circuits augmentaient en complexité. L’équipe rapporte que ces résultats marquent une étape importante pour rendre l’informatique quantique plus fiable et plus pratique au cours des premières étapes de l’informatique quantique tolérante aux pannes.
Atténuation des erreurs pour les qubits logiques
L’informatique quantique repose sur des qubits, qui sont notoirement fragiles et sujets aux erreurs dues au bruit ambiant. Les qubits logiques, construits à partir de plusieurs qubits physiques à l’aide de codes de correction d’erreurs, sont conçus pour résister à de telles perturbations. Cependant, même les qubits logiques sont imparfaits, et la résolution de leurs erreurs résiduelles est essentielle pour que les ordinateurs quantiques puissent résoudre les problèmes du monde réel.
Les chercheurs de cette étude ont démontré que ZNE – une méthode initialement développée pour atténuer les erreurs dans les qubits physiques – peut supprimer efficacement les erreurs logiques dans les circuits de correction d’erreurs quantiques. ZNE fonctionne en amplifiant artificiellement le bruit dans un circuit quantique, puis en extrapolant les résultats pour déduire le comportement d’un circuit silencieux. Cette technique a été appliquée à des circuits utilisant des codes de répétition et de surface, deux stratégies de correction d’erreurs largement utilisées, rapporte l’équipe.
La combinaison du ZNE et de la correction d’erreurs a abouti à une réduction universelle des erreurs logiques sur divers circuits quantiques. Les chercheurs ont déclaré que la technique restait efficace même dans la correction d’erreurs multi-tours, où la profondeur et la complexité du circuit augmentaient.
« En intégrant des techniques d’atténuation des erreurs à la correction d’erreurs, cette étude démontre une voie pratique pour combler le fossé entre l’ère du quantique bruité à échelle intermédiaire (NISQ) et l’ère de l’informatique quantique tolérante aux pannes (FTQC), faisant ainsi progresser la poursuite de l’informatique quantique pratique. technologies », écrivent les chercheurs.
Construction et mise à l’échelle
Les chercheurs se sont concentrés sur les qubits logiques, car ils devraient être les éléments constitutifs des ordinateurs quantiques tolérants aux pannes, capables de résoudre des problèmes informatiquement irréalisables pour les systèmes classiques. En d’autres termes, les applications dans la découverte de médicaments, la cryptographie et l’optimisation reposeront sur la réalisation d’opérations quantiques fiables – et cela reposera probablement sur la suppression des erreurs dans les qubits logiques.
La correction d’erreurs traditionnelle, bien que puissante, nécessite d’immenses ressources. Atteindre la tolérance aux pannes avec la seule correction des erreurs pourrait nécessiter des millions de qubits physiques par qubit logique. Les processeurs quantiques actuels sont loin d’atteindre cette échelle. En combinant la correction d’erreurs avec des techniques d’atténuation des erreurs telles que ZNE, les chercheurs peuvent réduire la demande en ressources qubits et rendre l’informatique quantique plus pratique à court terme.
Les résultats suggèrent également les possibilités de mise à l’échelle du ZNE. À mesure que la taille du code de correction d’erreur augmente (mesurée par sa « distance »), le taux d’erreur logique diminue. Cela suggère que ZNE peut être appliqué efficacement à des circuits plus complexes, ce qui en fait un outil viable pour faire progresser l’informatique quantique tolérante aux pannes.
Amplifier le bruit pour supprimer les erreurs
Les chercheurs ont mené leurs expériences sur des processeurs quantiques supraconducteurs de pointe. Bien que cela ne soit pas explicitement mentionné dans l’étude, ces processeurs ont probablement été développés en interne au centre de fabrication de micro-nano par l’équipe de l’université du Zhejiang ou leurs collaborateurs en Chine. Ces systèmes, dotés de réseaux de qubits réglables en fréquence, comptent parmi les plates-formes les plus avancées pour tester les techniques de correction et d’atténuation des erreurs.
Comme mentionné, mais pour plus de détails : l’équipe a amplifié le bruit dans les qubits physiques par des facteurs contrôlables et a mesuré les résultats du circuit qui en résultent. En analysant l’évolution de ces résultats en fonction de l’intensité du bruit, ils ont extrapolé le comportement du circuit en l’absence de bruit. Cette approche repose sur l’hypothèse selon laquelle la relation entre l’intensité du bruit et le comportement du circuit peut être modélisée à l’aide de fonctions polynomiales simples, une hypothèse validée par les expériences de l’étude.
L’équipe a appliqué ZNE aux codes de répétition, qui protègent les qubits logiques des erreurs de retournement de bits, et aux codes de surface, qui corrigent à la fois les erreurs de retournement de bits et de phase. Dans les circuits de code de répétition comportant jusqu’à 13 qubits, les chercheurs ont observé une réduction significative des erreurs. Dans les circuits à code de surface, ils ont démontré l’efficacité de la méthode pour corriger les deux types d’erreurs, ce qui démontre également la polyvalence du ZNE.
Surmonter les défis de l’atténuation des erreurs logiques
L’étude a abordé plusieurs défis associés à la mise en œuvre de ZNE dans les qubits logiques. Une atténuation précise des erreurs nécessite une modélisation précise du bruit et des ressources informatiques supplémentaires pour mesurer les résultats du circuit à plusieurs niveaux de bruit. Ces exigences peuvent prendre beaucoup de temps, en particulier pour les circuits plus grands.
Un autre défi est l’évolutivité de l’atténuation des erreurs. À mesure que la complexité des circuits augmente, l’effet cumulatif des erreurs augmente, ce qui risque de submerger les techniques d’atténuation. Cependant, les chercheurs ont découvert que ZNE reste efficace lorsqu’il est appliqué à des qubits logiques avec de faibles taux d’erreur logiques, réalisables grâce à l’utilisation de codes de correction d’erreur de haute qualité et d’un matériel de qubit de pointe.
L’étude a également démontré que les performances du ZNE ne se dégradent pas de manière significative dans les circuits de correction d’erreurs multi-tours, qui sont essentiels pour l’informatique quantique pratique et tolérante aux pannes. Cette robustesse fait de ZNE un candidat prometteur pour l’intégration dans les futurs systèmes informatiques quantiques.
Orientations futures : vers des systèmes quantiques fiables
L’équipe a reconnu plusieurs limitations qui doivent être résolues avant que l’extrapolation sans bruit (ZNE) et la correction d’erreurs puissent être largement adoptées pour l’informatique quantique évolutive. L’un des principaux défis réside dans l’évolutivité de ZNE lui-même. Bien que la technique atténue efficacement les erreurs dans les circuits de taille modeste, ses performances diminuent à mesure que la complexité des circuits augmente. Cela est particulièrement vrai lorsque le produit cumulé des taux d’erreur et du nombre de portes quantiques devient important, conduisant à des inefficacités dans la suppression des erreurs.
Un autre obstacle est le coût de calcul accru du ZNE. La méthode nécessite de mesurer les résultats du circuit à plusieurs niveaux de bruit pour extrapoler un résultat sans bruit, ce qui augmente considérablement la surcharge d’échantillonnage. Pour les circuits plus grands ou plus profonds, ce coût supplémentaire pourrait devenir un goulot d’étranglement, en particulier lors de la réalisation d’expériences sur du matériel quantique aux ressources limitées.
L’approche dépend également fortement d’une modélisation précise du bruit. Si le comportement en matière de bruit d’un processeur quantique n’est pas caractérisé avec précision, l’efficacité du ZNE diminue. Cette dépendance à l’égard d’un étalonnage robuste du bruit souligne la nécessité de progrès continus dans le matériel quantique et les techniques de mesure.
Les chercheurs rapportent que, même si leurs méthodes ont permis une réduction significative des erreurs, des erreurs résiduelles subsistent. Même avec l’intégration de ZNE, de petites imperfections dans les codes de correction d’erreurs et la fidélité matérielle laissaient place à des améliorations. Ces résidus, bien que petits, soulignent les défis liés à la réalisation d’opérations logiques sans erreur.
Bien que l’étude se soit concentrée sur la répétition et les codes de surface, l’application des méthodes à des protocoles de correction d’erreurs plus complexes ou à des systèmes présentant des taux d’erreur de base plus élevés peut nécessiter des innovations supplémentaires.
Les résultats – et les limites rencontrées par les scientifiques – laissent entrevoir plusieurs pistes de recherche future. Un domaine clé consiste à optimiser l’intégration de ZNE avec d’autres techniques d’atténuation des erreurs, telles que l’annulation probabiliste des erreurs, pour améliorer encore la fiabilité. Un autre objectif est d’étendre ces méthodes à d’autres types de processeurs quantiques, tels que les ions piégés et les systèmes photoniques, afin de valider leur large applicabilité.
L’évolutivité de ZNE invite également à explorer son utilisation dans des protocoles avancés de tolérance aux pannes. Des techniques telles que la chirurgie sur réseau, qui permettent des opérations quantiques évolutives, pourraient bénéficier de l’intégration de ZNE pour améliorer la précision et réduire les besoins en ressources.
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