Les ordinateurs quantiques ont le potentiel de surpasser les ordinateurs classiques sur certains problèmes de traitement de l’information d’importance pratique, peut-être même en matière d’apprentissage automatique et d’optimisation. Pourtant, leur déploiement à grande échelle n’est pas encore envisageable, en grande partie à cause de leur sensibilité au bruit, qui les amène à commettre des erreurs.
Une technique conçue pour remédier à ces erreurs est connue sous le nom de correction d’erreur quantique. Elle est conçue pour fonctionner « à la volée », en surveillant les erreurs et en restaurant les calculs lorsque des erreurs se produisent. Malgré d’énormes progrès réalisés ces derniers mois dans ce sens, cette stratégie reste très difficile sur le plan expérimental et implique des frais de ressources considérables.
Une autre approche, connue sous le nom de correction d’erreur quantique, fonctionne de manière plus indirecte : au lieu de corriger les erreurs dès qu’elles surviennent, le calcul contenant des erreurs (ou des versions modifiées de celui-ci) est exécuté jusqu’à son terme. Ce n’est qu’à la fin que l’on revient en arrière pour déduire quel était le résultat correct. Cette méthode a été proposée comme solution de remplacement pour s’attaquer aux erreurs commises par les ordinateurs quantiques avant que la correction complète des erreurs ne puisse être mise en œuvre.
Pourtant, des chercheurs du Massachusetts Institute of Technology, de l’École Normale Supérieure de Lyon, de l’Université de Virginie et de la Freie Universität de Berlin ont montré que les techniques d’atténuation des erreurs quantiques deviennent très inefficaces à mesure que les ordinateurs quantiques deviennent plus grands et plus performants.
Cela implique que l’atténuation des erreurs ne sera pas une solution à long terme au problème récurrent du bruit dans le calcul quantique. Leur article, publié dans Physique de la naturepropose des conseils sur les programmes visant à atténuer l’impact négatif du bruit sur les calculs quantiques qui sont voués à être inefficaces.
« Nous réfléchissions aux limites de l’informatique quantique à court terme utilisant des portes quantiques bruyantes », a déclaré Jens Eisert, co-auteur de l’article, à Phys.org.
« Notre collègue Daniel Stilck França venait de prouver un résultat Cela a représenté des limites convaincantes pour l’informatique quantique à court terme. Il avait montré que pour un bruit dépolarisant, en profondeur logarithmique, on parviendrait à un état quantique qui pourrait être capturé avec des techniques d’échantillonnage classiques efficaces. Nous venions de réfléchir à l’atténuation des erreurs quantiques, mais nous nous sommes ensuite demandé : attendez, qu’est-ce que tout cela signifie pour l’atténuation des erreurs quantiques ?
L’article récent de Yihui Quek, Daniel Stilck França, Sumeet Khatri, Johannes Jakob Meyer et Jens Eisert s’appuie sur cette question de recherche et vise à explorer les limites précises de l’atténuation des erreurs quantiques. Leurs résultats révèlent dans quelle mesure l’atténuation des erreurs quantiques peut aider à réduire l’impact du bruit sur l’informatique quantique à court terme.
« L’atténuation des erreurs quantiques était censée remplacer la correction des erreurs quantiques, car sa mise en œuvre nécessite une ingénierie moins précise. Il y avait donc l’espoir qu’elle soit à portée de main, même pour les capacités expérimentales actuelles », a déclaré Yihui Quek, auteur principal de l’article, à Phys.org.
« Mais lorsque nous avons examiné de plus près ces schémas d’atténuation relativement plus simples, nous avons commencé à comprendre qu’on ne pouvait peut-être pas avoir le beurre et l’argent du beurre. Certes, ils nécessitent moins de qubits et de contrôle, mais cela se fait souvent au prix d’avoir à exécuter l’ensemble du système un nombre de fois inquiétant. »
L’équipe a découvert qu’un exemple de schéma d’atténuation qui présentait des limites est connu sous le nom d’« extrapolation à zéro erreur ». Ce schéma fonctionne en augmentant progressivement la quantité de bruit dans un système, puis en convertissant les résultats du calcul le plus bruyant en un scénario à zéro bruit.
« Pour lutter contre le bruit, il faut augmenter le bruit dans le système », explique Quek. « Même intuitivement, il est clair que cela ne peut pas être évolutif. »
Les circuits quantiques (c’est-à-dire les processeurs quantiques) sont constitués de couches successives de portes quantiques, chacune d’elles recevant les calculs de la couche précédente et les faisant progresser. Cependant, si les portes sont bruyantes, chaque couche du circuit devient une arme à double tranchant, car si elle fait avancer un calcul, la porte elle-même introduit des erreurs supplémentaires.
« Cela crée un terrible paradoxe : il faut de nombreuses couches de portes (donc un circuit profond) pour effectuer un calcul non trivial », a déclaré Quek.
« Cependant, un circuit plus profond est également plus bruyant : il est plus susceptible de produire des absurdités. Il y a donc une course entre la vitesse à laquelle vous pouvez calculer et la vitesse à laquelle les erreurs de calcul s’accumulent.
« Nos travaux montrent qu’il existe des circuits extrêmement dangereux pour lesquels le dernier est beaucoup plus rapide qu’on ne le pensait à l’origine ; à tel point que pour atténuer ces circuits dangereux, il faudrait les exécuter un nombre de fois irréalisable. Cela est valable quel que soit l’algorithme spécifique que vous utilisez pour atténuer les erreurs. »
L’étude récente de Quek, Eisert et leurs collègues suggère que l’atténuation des erreurs quantiques n’est pas aussi évolutive que certains le prédisaient. En fait, l’équipe a constaté qu’à mesure que les circuits quantiques sont mis à l’échelle, l’effort ou les ressources nécessaires pour exécuter l’atténuation des erreurs augmentent considérablement.
« Comme pour tous les théorèmes interdits, nous préférons les voir moins comme un obstacle que comme une invitation », a déclaré Eisert.
« Peut-être qu’en travaillant avec des constituants plus connectés géométriquement localement, on arrive à des paramètres beaucoup plus optimistes, auquel cas peut-être que notre limite est beaucoup trop pessimiste. Les architectures courantes ont souvent de telles interactions locales. Notre étude peut également être considérée comme une invitation à réfléchir à des schémas plus cohérents d’atténuation des erreurs quantiques. »
Les résultats de cette équipe de recherche pourraient servir de guide aux physiciens et ingénieurs quantiques du monde entier, les incitant à concevoir des systèmes alternatifs et plus efficaces pour atténuer les erreurs quantiques. En outre, ils pourraient inspirer d’autres études axées sur les aspects théoriques des circuits quantiques aléatoires.
« Des travaux dispersés antérieurs sur des algorithmes individuels d’atténuation des erreurs quantiques avaient laissé entendre que ces schémas ne seraient pas évolutifs », a déclaré Quek.
« Nous avons élaboré un cadre qui capture une grande partie de ces algorithmes individuels. Cela nous a permis de démontrer que cette inefficacité constatée par d’autres est inhérente à l’idée même d’atténuation des erreurs quantiques et n’a rien à voir avec la mise en œuvre spécifique.
« Cela a été rendu possible grâce aux mécanismes mathématiques que nous avons développés, qui constituent les résultats les plus solides connus à ce jour sur la rapidité avec laquelle les circuits peuvent perdre leurs informations quantiques à cause du bruit physique. »
À l’avenir, l’article de Quek, Eisert et leurs collègues pourrait aider les chercheurs à identifier rapidement les types de schémas d’atténuation des erreurs quantiques qui seront probablement inefficaces. L’idée conceptuelle clé des conclusions de l’équipe est de cristalliser l’intuition selon laquelle les portes à longue portée (c’est-à-dire les portes avec des qubits séparés par de grandes distances) peuvent être à la fois avantageuses et problématiques, car elles produisent facilement de l’intrication, ce qui fait progresser le calcul, tout en diffusant plus rapidement le bruit dans un système.
« Cela soulève bien sûr la question de savoir s’il est même possible d’obtenir l’avantage quantique sans utiliser ces « super-diffuseurs » de la quanticité et de son pire ennemi (le bruit) », a ajouté Quek. « Notamment, tous nos résultats ne tiennent pas lorsque de nouveaux qubits auxiliaires sont introduits au milieu du calcul, ce qui peut donc s’avérer nécessaire dans une certaine mesure. »
Dans leurs prochaines études, les chercheurs prévoient de se concentrer non plus sur les problèmes qu’ils ont identifiés, mais sur les solutions potentielles pour les surmonter. Certains de leurs collègues ont déjà fait des progrès dans cette direction, en utilisant une combinaison d’analyses comparatives aléatoires et de techniques d’atténuation des erreurs quantiques.
Plus d’informations :
Yihui Quek et al., Limites exponentiellement plus strictes des limitations de l’atténuation des erreurs quantiques, Physique de la nature (2024). DOI : 10.1038/s41567-024-02536-7.
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