Une équipe d’ingénieurs quantiques de l’UNSW Sydney a mis au point une méthode pour réinitialiser un ordinateur quantique, c’est-à-dire préparer un bit quantique à l’état « 0 », avec une très grande confiance, nécessaire pour des calculs quantiques fiables. La méthode est étonnamment simple : elle est liée au vieux concept du « démon de Maxwell », un être omniscient qui peut séparer un gaz en chaud et en froid en observant la vitesse des molécules individuelles.
« Ici, nous avons utilisé un » démon « beaucoup plus moderne – un voltmètre numérique rapide – pour surveiller la température d’un électron tiré au hasard d’un bassin chaud d’électrons. Ce faisant, nous l’avons rendu beaucoup plus froid que le bassin d’où il provenait, et cela correspond à une grande certitude qu’il se trouve dans l’état de calcul « 0 » », explique le professeur Andrea Morello de l’UNSW, qui a dirigé l’équipe.
« Les ordinateurs quantiques ne sont utiles que s’ils peuvent atteindre le résultat final avec une très faible probabilité d’erreurs. Et on peut avoir des opérations quantiques presque parfaites, mais si le calcul a commencé à partir du mauvais code, le résultat final sera également faux. « Le démon de Maxwell » nous permet de multiplier par 20 la précision avec laquelle nous pouvons définir le début du calcul. »
La recherche a été publiée dans Examen physique Xune revue publiée par l’American Physical Society.
Regarder un électron pour le rendre plus froid
L’équipe du professeur Morello a été la première à utiliser les spins d’électrons dans le silicium pour coder et manipuler les informations quantiques, et a démontré une fidélité record, c’est-à-dire une très faible probabilité d’erreurs, dans l’exécution d’opérations quantiques. Le dernier obstacle restant pour des calculs quantiques efficaces avec des électrons était la fidélité de la préparation de l’électron dans un état connu comme point de départ du calcul.
« La manière normale de préparer l’état quantique d’un électron est d’aller à des températures extrêmement basses, proches du zéro absolu, et d’espérer que les électrons se détendent tous à l’état « 0 » à basse énergie », explique le Dr Mark Johnson, le responsable auteur expérimental sur le papier. « Malheureusement, même en utilisant les réfrigérateurs les plus puissants, nous avions encore 20% de chances de préparer l’électron à l’état ‘1’ par erreur. Ce n’était pas acceptable, nous devions faire mieux que cela. »
Le Dr Johnson, diplômé de l’UNSW en génie électrique, a décidé d’utiliser un instrument de mesure numérique très rapide pour «surveiller» l’état de l’électron et d’utiliser un processeur de prise de décision en temps réel dans l’instrument pour décider de conserver cet électron et l’utiliser pour d’autres calculs. L’effet de ce processus était de réduire la probabilité d’erreur de 20 % à 1 %.
Une nouvelle tournure sur une vieille idée
« Lorsque nous avons commencé à rédiger nos résultats et réfléchi à la meilleure façon de les expliquer, nous avons réalisé que ce que nous avions fait était une version moderne de la vieille idée du » démon de Maxwell « », explique le professeur Morello.
Le concept de « démon de Maxwell » remonte à 1867, lorsque James Clerk Maxwell imagina une créature capable de connaître la vitesse de chaque molécule individuelle dans un gaz. Il prendrait une boîte pleine de gaz, avec une cloison au milieu, et une porte qui s’ouvre et se ferme rapidement. Connaissant la vitesse de chaque molécule, le démon peut ouvrir la porte pour laisser s’empiler les molécules lentes (froides) d’un côté, et les rapides (chaudes) de l’autre.
« Le démon était une expérience de pensée, pour débattre de la possibilité de violer la deuxième loi de la thermodynamique, mais bien sûr, un tel démon n’a jamais existé », déclare le professeur Morello.
« Maintenant, en utilisant l’électronique numérique rapide, nous en avons en quelque sorte créé un. Nous l’avons chargé de surveiller un seul électron et de nous assurer qu’il fait aussi froid que possible. Ici, « froid » se traduit directement par le fait qu’il est dans l’état ‘0’ de l’ordinateur quantique que nous voulons construire et exploiter. »
Les implications de ce résultat sont très importantes pour la viabilité des ordinateurs quantiques. Une telle machine peut être construite avec la capacité de tolérer certaines erreurs, mais seulement si elles sont suffisamment rares. Le seuil typique de tolérance aux erreurs est d’environ 1 %. Cela s’applique à toutes les erreurs, y compris la préparation, l’utilisation et la lecture du résultat final.
Cette version électronique d’un « démon de Maxwell » a permis à l’équipe de l’UNSW de réduire les erreurs de préparation par vingt, passant de 20 % à 1 %.
« Juste en utilisant un instrument électronique moderne, sans complexité supplémentaire dans la couche matérielle quantique, nous avons pu préparer nos bits quantiques d’électrons avec une précision suffisante pour permettre un calcul ultérieur fiable », explique le Dr Johnson.
« C’est un résultat important pour l’avenir de l’informatique quantique. Et c’est assez particulier qu’il représente aussi l’incarnation d’une idée d’il y a 150 ans ! »
Plus d’information:
Mark AI Johnson et al, Beating the Thermal Limit of Qubit Initialization with a Bayesian Maxwell’s Demon, Examen physique X (2022). DOI : 10.1103/PhysRevX.12.041008