Les effets secondaires de la correction d’erreur quantique et comment y faire face

Il est bien établi que la correction d’erreur quantique peut améliorer les performances des capteurs quantiques. Mais de nouveaux travaux théoriques mettent en garde contre le fait que, de manière inattendue, l’approche peut également donner lieu à des résultats inexacts et trompeurs – et montre comment remédier à ces lacunes.

Les systèmes quantiques peuvent interagir entre eux et avec leur environnement de façons fondamentalement différentes de celles de leurs homologues classiques. Dans un capteur quantique, les particularités de ces interactions sont exploitées pour obtenir des informations caractéristiques sur l’environnement du système quantique, par exemple l’intensité d’un champ magnétique et électrique dans lequel il est plongé. Surtout, lorsqu’un tel dispositif exploite de manière appropriée les lois de la mécanique quantique, sa sensibilité peut alors dépasser ce qui est possible, même en principe, avec les technologies conventionnelles et classiques.

Malheureusement, les capteurs quantiques sont extrêmement sensibles non seulement aux quantités physiques d’intérêt, mais aussi au bruit. Une façon de supprimer ces contributions indésirables consiste à appliquer des schémas connus collectivement sous le nom de correction d’erreur quantique (QEC). Cette approche attire une attention considérable et croissante, car elle pourrait permettre des capteurs quantiques pratiques de haute précision dans une gamme d’applications plus large que ce qui est possible aujourd’hui. Mais les avantages de la détection quantique à correction d’erreurs s’accompagnent d’effets secondaires potentiels majeurs, comme l’a maintenant découvert une équipe dirigée par Florentin Reiter, un boursier Ambizione du Fonds national suisse de la recherche scientifique travaillant dans le groupe de Jonathan Home à l’Institut d’électronique quantique. . Écrire dans Lettres d’examen physique, ils rapportent des travaux théoriques dans lesquels ils montrent que, dans des contextes réalistes, la QEC peut fausser la sortie des capteurs quantiques et pourrait même conduire à des résultats non physiques. Mais tout n’est pas perdu ; les chercheurs décrivent également des procédures sur la façon de restaurer les résultats corrects.

Dérive hors piste

Lors de l’application de la QEC à la détection quantique, les erreurs sont corrigées à plusieurs reprises au fur et à mesure que le capteur acquiert des informations sur la quantité cible. Par analogie, imaginez une voiture qui continue de s’écarter du centre de la voie dans laquelle elle se déplace. Dans le cas idéal, la dérive est corrigée par un contre-braquage constant. Dans le scénario équivalent pour la détection quantique, il a été démontré que par une correction d’erreur constante ou très fréquente, les effets néfastes du bruit peuvent être complètement supprimés, du moins en principe. L’histoire est assez différente lorsque pour des raisons pratiques, le conducteur ne peut effectuer des interventions correctives avec le volant qu’à des moments précis. Ensuite, comme nous le montre l’expérience, la séquence d’avance et d’exécution des mouvements correctifs doit être finement réglée. Si la séquence n’avait pas d’importance, l’automobiliste pourrait simplement effectuer toutes les manœuvres de direction à la maison dans le garage, puis appuyer en toute confiance sur l’accélérateur. La raison pour laquelle cela ne fonctionne pas est que la rotation et la translation ne sont pas commutatives – l’ordre dans lequel les actions d’un type ou de l’autre sont exécutées change le résultat.

Pour les capteurs quantiques, une situation quelque peu similaire avec des actions sans commutation peut survenir, en particulier pour «l’action de détection» et «l’action d’erreur». Le premier est décrit par l’opérateur hamiltonien du capteur, le second par des opérateurs d’erreur. Maintenant, Ivan Rojkov, un chercheur doctorant travaillant à l’ETH avec Reiter et avec des collaborateurs du Massachusetts Institute of Technology (MIT), a découvert que la sortie du capteur subit un biais systématique – ou « dérive » – ​​lorsqu’il y a un délai entre une erreur et sa correction ultérieure. Selon la longueur de ce temps de retard, la dynamique du système quantique, qui devrait idéalement être régie par l’opérateur hamiltonien seul, devient contaminée par les interférences des opérateurs d’erreur. Le résultat est que pendant le délai, le capteur acquiert généralement moins d’informations sur la quantité d’intérêt, comme un champ magnétique ou électrique, par rapport à une situation dans laquelle aucune erreur ne s’est produite. Ces différentes vitesses d’acquisition des informations se traduisent alors par une distorsion de la sortie.

Détection sensique

Ce biais induit par la QEC est important. Si elles ne sont pas prises en compte, alors, par exemple, les estimations du signal minimum que le capteur quantique peut détecter pourraient finir par être trop optimistes, comme Rojkov et al. Afficher. Pour les expériences qui repoussent les limites de la précision, de telles estimations erronées sont particulièrement trompeuses. Mais l’équipe fournit également une échappatoire pour surmonter le biais. La quantité de biais introduite par la QEC à taux fini peut être calculée et, grâce à des mesures appropriées, peut être rectifiée en post-traitement, de sorte que la sortie du capteur a à nouveau un sens parfait. En outre, la prise en compte du fait que la QEC peut donner lieu à des changements systématiques peut aider à concevoir le protocole de détection idéal avant la mesure.

Étant donné que l’effet identifié dans ce travail est présent dans divers schémas courants de détection quantique à correction d’erreur, ces résultats devraient apporter une contribution importante à l’amélioration de la plus haute précision à partir d’une large gamme ou de capteurs quantiques, et les maintenir sur la bonne voie pour fournir sur leur promesse de nous conduire vers des régimes inexplorables avec des capteurs classiques.