Des physiciens produisent des modes de bord de Majorana protégés par symétrie sur un ordinateur quantique

Les physiciens de Google Quantum AI ont utilisé leur ordinateur quantique pour étudier un type de particule efficace plus résistant aux perturbations environnementales susceptibles de dégrader les calculs quantiques. Ces particules efficaces, connues sous le nom de modes de bord de Majorana, se forment à la suite d’une excitation collective de plusieurs particules individuelles, comme les vagues océaniques se forment à partir des mouvements collectifs des molécules d’eau. Les modes de bord de Majorana présentent un intérêt particulier dans les applications d’informatique quantique car ils présentent des symétries spéciales qui peuvent protéger les états quantiques autrement fragiles du bruit dans l’environnement.

Le physicien de la matière condensée Philip Anderson a écrit une fois, « Il n’est que légèrement exagéré de dire que la physique est l’étude de la symétrie. » En effet, l’étude des phénomènes physiques et de leur relation avec les symétries sous-jacentes a été le principal objectif de la physique pendant des siècles. Les symétries sont simplement des déclarations sur les transformations qu’un système peut subir – comme une translation, une rotation ou une inversion à travers un miroir – et rester inchangées. Ils peuvent simplifier les problèmes et élucider les lois physiques sous-jacentes. Et, comme le montrent les nouvelles recherches, les symétries peuvent même empêcher le processus quantique apparemment inexorable de la décohérence.

Lors de l’exécution d’un calcul sur un ordinateur quantique, nous souhaitons généralement que les bits quantiques, ou « qubits », de l’ordinateur soient dans un seul état quantique pur. Mais la décohérence se produit lorsque des champs électriques externes ou d’autres bruits environnementaux perturbent ces états en les mélangeant avec d’autres états pour créer des états indésirables. Si un état a une certaine symétrie, il pourrait alors être possible de l’isoler, créant ainsi un îlot de stabilité impossible à mélanger avec les autres états qui n’ont pas également la symétrie spéciale. Ainsi, le bruit ne pouvant plus relier l’état symétrique aux autres, il pourrait préserver la cohérence de l’état.

En 2000, le physicien Alexei Kitaev a conçu un modèle simple pour générer des états quantiques à symétrie protégée. Le modèle consistait en une chaîne de particules interconnectées appelées fermions. Ils pourraient être connectés de telle sorte que deux particules efficaces apparaissent aux extrémités de la chaîne. Mais ce n’étaient pas des particules ordinaires – elles étaient délocalisées dans l’espace, chacune apparaissant simultanément aux deux extrémités de la chaîne.

Il s’agissait des modes de bord de Majorana (MEM). Les deux modes avaient des comportements nettement différents sous ce qu’on appelle la transformation de parité. Un mode semblait identique sous cette transformation, c’était donc une symétrie de l’état. L’autre a pris un signe moins. La différence de parité entre ces deux états signifiait qu’ils ne pouvaient pas être mélangés par de nombreuses sources de bruit externes (c’est-à-dire celles qui avaient également une symétrie de parité).

Dans leur nouvel article publié dans La science et intitulé « Modes de bord de Majorana résistants au bruit sur une chaîne de qubits supraconducteurs », Xiao Mi, Pedram Roushan, Dima Abanin et leurs collègues de Google ont réalisé pour la première fois ces MEM avec des qubits supraconducteurs. Ils ont utilisé une transformation mathématique appelée la transformation de Jordan-Wigner pour mapper le modèle que Kitaev avait considéré sur celui qu’ils pouvaient réaliser sur leur ordinateur quantique : le modèle 1D kicked-Ising. Ce modèle connecte chaque qubit d’une chaîne 1D à chacun de ses deux voisins les plus proches, de sorte que les qubits voisins interagissent les uns avec les autres. Ensuite, un « coup de pied » perturbe périodiquement la chaîne.

Mi et ses collègues ont recherché les signatures des MEM en comparant le comportement des qubits périphériques avec ceux du milieu de la chaîne. Alors que l’état des qubits du milieu se décohérait rapidement, les états de ceux du bord duraient beaucoup plus longtemps. Mi dit que c’était « une indication préliminaire de la résilience des MEM vis-à-vis de la décohérence externe ».

L’équipe a ensuite mené une série d’études systématiques sur la résilience au bruit des MEM. Dans un premier temps, ils ont mesuré les énergies correspondant aux différents états quantiques du système et ont observé qu’elles correspondaient exactement à l’exemple classique du modèle de Kitaev. En particulier, ils ont constaté que les deux MEM aux extrémités opposées de la chaîne sont exponentiellement plus difficiles à mélanger à mesure que la taille du système augmente, une caractéristique caractéristique du modèle Kitaev.

Ensuite, l’équipe a perturbé le système en ajoutant du bruit à basse fréquence aux opérations de contrôle dans les circuits quantiques. Ils ont découvert que les MEM étaient immunisés contre de telles perturbations, contrastant fortement avec d’autres modes de bord génériques sans symétries. Étonnamment, l’équipe a également constaté que les MEM résistent même à certains bruits qui brisent les symétries du modèle d’Ising. Cela est dû à un mécanisme appelé « préthermisation », qui découle du coût énergétique élevé nécessaire pour transformer les MEM en d’autres excitations possibles dans le système.

Enfin, l’équipe a mesuré les fonctions d’onde complètes des MEM. Pour ce faire, il a fallu mesurer simultanément les états de nombres variables de qubits proches de chaque extrémité de la chaîne. Ici, ils ont fait une autre découverte surprenante : quel que soit le nombre de qubits inclus dans une mesure, son temps de décroissance était identique. En d’autres termes, les mesures impliquant même jusqu’à 12 qubits se sont dégradées sur la même échelle de temps que celles d’un seul qubit. Cela était contraire à l’attente intuitive selon laquelle des observables quantiques plus grands se désintègrent plus rapidement en présence de bruit, et a encore mis en évidence la nature collective et la résilience au bruit des MEM.

Mi et Roushan pensent qu’à l’avenir, ils pourraient être en mesure d’utiliser des MEM pour activer des portes quantiques protégées par la symétrie. Leur travail démontre que les MEM sont insensibles à la fois au bruit basse fréquence et aux petites erreurs, c’est donc une voie prometteuse pour créer des portes plus robustes dans un processeur quantique.

Les chercheurs prévoient de continuer à améliorer le niveau de protection de ces MEM, espérons-le, pour rivaliser avec certaines des principales techniques utilisées pour lutter contre la décohérence dans les ordinateurs quantiques. Abanin dit: « Une question clé pour les travaux futurs est de savoir si ces techniques peuvent être étendues pour atteindre des niveaux de protection comparables aux codes de correction d’erreur actifs. »