Les portes logiques quantiques haute fidélité appliquées aux bits quantiques (qubits) sont les éléments de base des circuits quantiques programmables. Des chercheurs du Advanced Quantum Testbed (AQT) du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) ont mené la première démonstration expérimentale d’une porte native iToffoli haute fidélité à trois qubits dans un processeur d’information quantique supraconducteur et en une seule étape.
Les processeurs quantiques bruyants à échelle intermédiaire prennent généralement en charge les portes natives à un ou deux qubits, les types de portes qui peuvent être implémentées directement par le matériel. Des portes plus complexes sont implémentées en les divisant en séquences de portes natives. La démonstration de l’équipe ajoute une nouvelle et robuste porte iToffoli native à trois qubits pour l’informatique quantique universelle. De plus, l’équipe a démontré un fonctionnement très haute fidélité de la porte à 98,26 %. La percée expérimentale de l’équipe a été publiée dans Physique naturelle Ceci peut.
Portes logiques quantiques, circuits quantiques
Le Toffoli ou le NON contrôlé-contrôlé (CCNOT) est une porte logique clé dans l’informatique classique car elle est universelle, elle peut donc construire tous les circuits logiques pour calculer n’importe quelle opération binaire souhaitée. De plus, il est réversible, ce qui permet la détermination et la récupération des entrées binaires (bits) à partir des sorties, donc aucune information n’est perdue.
Dans les circuits quantiques, le qubit d’entrée peut être dans une superposition d’états 0 et 1. Le qubit est physiquement connecté à d’autres qubits dans le circuit, ce qui rend plus difficile la mise en œuvre d’une porte quantique haute fidélité à mesure que le nombre de qubits augmente. Moins il y a de portes quantiques nécessaires pour calculer une opération, plus le circuit quantique est court, améliorant ainsi la mise en œuvre d’un algorithme avant que les qubits ne décohèrent, entraînant des erreurs dans le résultat final. Par conséquent, il est essentiel de réduire la complexité et le temps de fonctionnement des portes quantiques.
En tandem avec la porte Hadamard, la porte Toffoli forme un ensemble universel de portes quantiques, qui permet aux chercheurs d’exécuter n’importe quel algorithme quantique. Des expériences mettant en œuvre des portes multi-qubits dans les principales technologies informatiques (circuits supraconducteurs, ions piégés et atomes de Rydberg) ont démontré avec succès des portes Toffoli sur des portes à trois qubits avec des fidélités moyennes comprises entre 87 % et 90 %. Cependant, de telles démonstrations ont obligé les chercheurs à décomposer les portes de Toffoli en portes à un et deux qubits, ce qui allonge le temps de fonctionnement de la porte et dégrade leur fidélité.
Créer une porte facile à mettre en œuvre
Pour créer une porte à trois qubits facile à mettre en œuvre pour l’expérience, AQT a conçu une porte iToffoli au lieu d’une porte Toffoli conventionnelle en appliquant des impulsions micro-ondes simultanées fixées à la même fréquence à trois qubits supraconducteurs dans une chaîne linéaire.
L’expérience a démontré, de la même manière que la porte Toffoli, que cette porte iToffoli à trois qubits peut être utilisée pour effectuer un calcul quantique universel avec une haute fidélité. De plus, les chercheurs ont montré que le schéma des portes sur les processeurs quantiques supraconducteurs pouvait produire des portes supplémentaires à trois qubits, qui fournissent une synthèse de porte plus efficace – le processus de décomposition des portes quantiques en portes plus courtes pour améliorer les temps de fonctionnement des circuits.
Yosep Kim, l’un des principaux chercheurs de l’expérience et ancien postdoctorant à l’AQT, est actuellement chercheur senior au Korea Institute of Science and Technology (Corée du Sud).
« En raison de la décohérence, nous savons qu’une séquence de portes plus longue et plus complexe nuit à la fidélité des résultats, de sorte que le temps total de fonctionnement de la porte pour exécuter un certain algorithme est important. La démonstration a prouvé que nous pouvons implémenter une porte à trois qubits dans une étape et réduire la profondeur du circuit (la longueur de la séquence de portes) d’une synthèse de porte. De plus, contrairement aux approches précédentes, notre schéma de porte n’inclut pas les états excités plus élevés du qubit sujets à la décohérence, ce qui donne une porte haute fidélité « , a déclaré Kim.
« Je suis toujours très impressionné par la simplicité et la fidélité de cette porte iToffoli. Désormais, l’utilisation d’une opération à trois qubits comme celle de l’ouvrage peut considérablement accélérer le développement de l’application quantique et de la correction d’erreurs quantiques », a déclaré Alexis Morvan, ancien postdoctorant à l’AQT et actuellement chercheur scientifique chez Google.
Tirer parti d’un laboratoire de recherche collaborative à la fine pointe de la technologie
L’AQT est un laboratoire de recherche collaborative à la pointe de la technologie pour la science de l’information quantique financé par le programme de recherche en informatique scientifique avancée du Département de l’énergie des États-Unis. Le laboratoire exploite un banc d’essai expérimental en libre accès conçu pour une collaboration approfondie avec les chercheurs du Berkeley Lab et les utilisateurs externes du milieu universitaire, des laboratoires nationaux et de l’industrie. Ces collaborations interactives permettent une large exploration de la science de pointe dans la plateforme supraconductrice d’AQT qui s’appuie sur des qubits, des portes et une atténuation des erreurs de haute qualité tout en préparant simultanément de nouvelles générations de chercheurs dans le domaine.
« J’ai étudié les sciences de l’information quantique en utilisant un système photonique pendant mon doctorat, donc je n’avais pas de bonnes connaissances pour mener l’expérience dans un processeur supraconducteur », se souvient Kim. « Mais parce que le banc d’essai expérimental est si bien établi et qu’il y a de nombreux collègues interdisciplinaires qui connaissent le fonctionnement interne de la configuration et ont collaboré à l’expérience, j’ai pu me lancer très rapidement dans l’expérience sans beaucoup d’expérience préalable. Si ce n’était pas le cas pour la plateforme et l’équipe de l’AQT, je ne pense pas que mes idées se seraient concrétisées à un si haut niveau. »
« L’AQT offre aux chercheurs et aux utilisateurs une formidable opportunité de collaborer avec des personnes venant d’horizons différents et aux intérêts variés. Ce projet iToffoli est un exemple de croisement d’idées. Ainsi, en plus de l’esprit de liberté scientifique à l’AQT, notre travail a également été accéléré par l’infrastructure bien établie et l’étalonnage constant, nous permettant de nous concentrer sur la physique de notre projet spécifique sans nous écarter des tâches périphériques De plus, une pile de contrôle avancée nous a permis d’explorer toutes les implémentations possibles pour établir de nouveaux protocoles quantiques « , a déclaré Long Nguyen, actuellement postdoctoral à l’AQT.
Les chercheurs espèrent que les approches expérimentales pour les portes multi-qubits haute fidélité et faciles à mettre en œuvre, telles que celles explorées à l’AQT, déclencheront d’autres études pour concevoir différentes portes multi-qubits pour un nouveau traitement de l’information quantique.
Yosep Kim et al, Porte iToffoli à trois qubits haute fidélité pour les qubits supraconducteurs à fréquence fixe, Physique naturelle (2022). DOI : 10.1038/s41567-022-01590-3. www.nature.com/articles/s41567-022-01590-3