Le verre à vitre, au niveau microscopique, présente un étrange mélange de propriétés. Comme un liquide, ses atomes sont désordonnés, mais comme un solide, ses atomes sont rigides, donc une force appliquée à un atome les fait tous bouger.
Il s’agit d’une analogie utilisée par les physiciens pour décrire un état quantique appelé « verre de spin quantique », dans lequel les bits de mécanique quantique (qubits) d’un ordinateur quantique démontrent à la fois du désordre (prenant des valeurs apparemment aléatoires) et de la rigidité (lorsqu’un qubit s’inverse, donc faire tous les autres). Une équipe de chercheurs de Cornell a découvert de manière inattendue la présence de cet état quantique alors qu’elle menait un projet de recherche visant à en apprendre davantage sur les algorithmes quantiques et, par conséquent, sur de nouvelles stratégies de correction d’erreurs dans l’informatique quantique.
« Mesurer la position d’une particule quantique modifie son élan et vice versa. De même, pour les qubits, il existe des quantités qui changent lorsqu’elles sont mesurées. Nous constatons que certaines séquences aléatoires de ces mesures incompatibles conduisent à la formation d’un spin quantique. verre », a déclaré Erich Mueller, professeur de physique au Collège des Arts et des Sciences (A&S). « L’une des implications de notre travail est que certains types d’informations sont automatiquement protégés dans des algorithmes quantiques qui partagent les caractéristiques de notre modèle. »
« Symétrie du sous-système, ordre du verre de spin et criticité à partir de mesures aléatoires dans un circuit Bacon-Shor bidimensionnel » publié le 31 juillet dans Examen physique B. L’auteur principal est Vaibhav Sharma, doctorant en physique.
Chao-Ming Jian (A&S), professeur adjoint de physique, est co-auteur avec Mueller. Tous trois mènent leurs recherches au Laboratoire de physique atomique et du solide (LASSP) de Cornell.
« Nous essayons de comprendre les caractéristiques génériques des algorithmes quantiques, des caractéristiques qui transcendent tout algorithme particulier », a déclaré Sharma. « Notre stratégie pour révéler ces caractéristiques universelles consistait à étudier des algorithmes aléatoires. Nous avons découvert que certaines classes d’algorithmes conduisent à un ordre caché en forme de « verre de rotation ». Nous recherchons maintenant d’autres formes d’ordre caché et pensons que cela nous mènera à un ordre caché. nouvelle taxonomie des états quantiques.
Les algorithmes aléatoires sont ceux qui intègrent un certain degré de caractère aléatoire dans l’algorithme, par exemple des nombres aléatoires pour décider quoi faire ensuite.
La proposition de Mueller pour la subvention New Frontier 2021 « Correction autonome des erreurs du sous-système quantique » visait à simplifier les architectures informatiques quantiques en développant une nouvelle stratégie pour corriger les erreurs des processeurs quantiques causées par le bruit ambiant, c’est-à-dire tout facteur, tel que les rayons cosmiques ou les champs magnétiques. , cela interférerait avec les qubits d’un ordinateur quantique, corrompant les informations.
Les bits des systèmes informatiques classiques sont protégés par des codes correcteurs d’erreurs, a déclaré Mueller ; les informations sont répliquées de sorte que si un bit « s’inverse », vous pouvez le détecter et corriger l’erreur. « Pour que l’informatique quantique soit réalisable aujourd’hui et à l’avenir, nous devons trouver des moyens de protéger les qubits de la même manière. »
« La clé de la correction des erreurs est la redondance », a déclaré Mueller. « Si j’envoie trois copies d’un bit, vous pouvez savoir s’il y a une erreur en comparant les bits les uns avec les autres. Nous empruntons le langage de la cryptographie pour parler de telles stratégies et nous désignons l’ensemble répété de bits comme un « mot de passe ». »
Lorsqu’ils ont fait leur découverte sur l’ordre des verres de spin, Mueller et son équipe étudiaient une généralisation, dans laquelle plusieurs mots de code seraient utilisés pour représenter la même information. Par exemple, dans un code de sous-système, le bit « 1 » peut être stocké de 4 manières différentes : 111 ; 100 ; 101 ; et 001.
« La liberté supplémentaire dont on dispose dans les codes des sous-systèmes quantiques simplifie le processus de détection et de correction des erreurs », a déclaré Mueller.
Les chercheurs ont souligné qu’ils n’essayaient pas simplement de générer un meilleur système de protection contre les erreurs lorsqu’ils ont commencé cette recherche. Ils étudiaient plutôt des algorithmes aléatoires pour connaître les propriétés générales de tous ces algorithmes.
« Fait intéressant, nous avons trouvé une structure non triviale », a déclaré Mueller. « Le plus dramatique était l’existence de cet ordre de verre spin, qui indique qu’il y a des informations cachées supplémentaires flottantes, qui devraient être utilisables d’une manière ou d’une autre pour l’informatique, même si nous ne savons pas encore comment. »
Plus d’information:
Vaibhav Sharma et al, Symétrie du sous-système, ordre du verre de spin et criticité à partir de mesures aléatoires dans un circuit Bacon-Shor bidimensionnel, Examen physique B (2023). DOI : 10.1103/PhysRevB.108.024205