Pour l'homme, le bruit de fond n'est généralement qu'un irritant mineur.Mais pour les ordinateurs quantiques, qui sont très sensibles, il peut s'agir d'un glas de la mort pour les calculs.Et parce que le «bruit» pour un ordinateur quantique augmente à mesure que l'ordinateur est chargé de calculs plus complexes, il peut rapidement devenir un obstacle majeur.
Mais parce que les ordinateurs quantiques pourraient être incroyablement utiles, les chercheurs ont expérimenté des moyens de contourner le problème du bruit.En règle générale, ils essaient de mesurer le bruit pour le corriger, avec un succès mixte.
Un groupe de scientifiques de l'Université de Chicago et de l'Université Purdue a collaboré sur une nouvelle technique: au lieu d'essayer directement de mesurer le bruit, ils construisent plutôt une «empreinte digitale» unique du bruit sur un ordinateur quantique tel qu'il est vu par un programme exécutésur l'ordinateur.
Cette approche, disent-ils, semble prometteuse d'atténuer le problème du bruit - ainsi que de suggérer des moyens que les utilisateurs puissent réellement tourner le bruit à leur avantage.
"Nous nous sommes demandé s'il y avait un moyen de travailler avec le bruit, plutôt que contre cela", a déclaré réavid Mazziotti, professeur au réépartement de chimie, à l'Institut James Franck et au Chicago Quantum Exchange et co-auteur de l'étude, qui étaitPublié Jan.25 dans la physique des communications de la nature.
«Une nouvelle approche»
Les ordinateurs quantiques sont basés sur les lois de la façon dont les particules se comportent au niveau atomique.À ce niveau, les particules obéissent à un ensemble de règles très étranges;Ils peuvent être dans deux États différents à la fois, ou devenir «enchevêtrés» dans l'espace.Les scientifiques espèrent exploiter ces capacités comme base pour les ordinateurs.
En particulier, de nombreux scientifiques veulent utiliser des ordinateurs quantiques pour mieux comprendre les règles du monde naturel, car les molécules fonctionnent en fonction des lois de la mécanique quantique - ce qui devrait théoriquement être plus facile à simuler à l'aide d'un ordinateur quantique.
Mais malgré des progrès importants dans la technologie informatique quantique au cours de la dernière décennie, la capacité de calcul a pris du retard sur les espoirs des scientifiques.Beaucoup avaient supposé que l'augmentation du nombre de bits informatiques - «Qubits», pour les ordinateurs quantiques - aiderait à atténuer le problème du bruit, mais comme la précision des limites de bruit, les scientifiques n'ont toujours pas été en mesure d'effectuer de nombreux calculs qu'ils aimeraient.
«Nous avons pensé qu'il pourrait être temps pour une nouvelle approche», a déclaré le co-auteur Saber Kais, professeur de physique et de chimie à l'Université Purdue.
À ce jour, les scientifiques ont essayé de comprendre l'effet du bruit en mesurant directement le bruit dans chaque qubit.Mais le catalogage de tels changements discrètes est difficile, et, le groupe pensait, peut-être pas toujours la route la plus efficace.
"Très souvent en physique, il est en fait plus facile de comprendre le comportement global d'un système que de savoir ce que fait chaque partie", a déclaré le co-auteur Zixuan Hu, chercheur postdoctoral à Purdue.«Par exemple, il est difficile de simuler ce que fait chaque molécule dans un verre d'eau, mais il est beaucoup plus facile de prédire le comportement de l'ensemble."
Ainsi, au lieu d'essayer de mesurer avec précision le bruit réel, les scientifiques ont décidé d'exécuter un test pour avoir une idée du bruit global que subissent les ordinateurs quantiques.
Ils ont choisi un calcul particulier d'une molécule affichant un comportement quantique et l'ont exécuté comme simulation sur un ordinateur quantique.Ensuite, ils ont modifié les paramètres du problème dans plusieurs directions différentes, et ont suivi la façon dont le bruit a répondu. “By putting this all together, we build a ‘fingerprint’ of the noise as perceived by the simulation that we’re running," said Mazziotti.
HU a expliqué que l'exécution d'un calcul d'une molécule qui est déjà bien connue les a aidés à démêler les effets spécifiques du bruit.
“We know very little about quantum computers and noise, but we know really well how this molecule behaves when excited," said Hu."Nous utilisons donc des ordinateurs quantiques, que nous ne connaissons pas beaucoup, pour imiter une molécule que nous connaissons, et nous voyons comment il se comporte.Avec ces modèles familiers, nous pouvons dessiner une certaine compréhension."
Cette opération donne une vision plus «d'oiseau d'oiseau» du bruit que les ordinateurs quantiques simulent, a déclaré Scott Smart, un pH.ré.Étudiant à l'Université de Chicago et premier auteur sur le journal.
Les auteurs espèrent que ces informations pourront aider les chercheurs à réfléchir à la façon de concevoir de nouvelles façons de corriger le bruit.Cela pourrait même suggérer des moyens que le bruit pourrait être utile, a déclaré Mazziotti.
Par exemple, si vous essayez de simuler un système quantique tel qu'une molécule dans le monde réel, vous savez qu'il éprouvera du bruit - car le bruit existe dans le monde réel.Sous l'approche précédente, vous utilisez une puissance de calcul pour ajouter une simulation de ce bruit.
“But instead of building noise in as additional operation on a quantum computer, maybe we could actually use the noise intrinsic to a quantum computer to mimic the noise in a quantum problem that is difficult to solve on a conventional computer," Mazziotti said.
Les auteurs pensent que cette approche unique du problème de bruit est utile car les chercheurs continuent d'explorer le jeune domaine de l'informatique quantique.
“We’re still not even sure what kinds of problems for which quantum computers will be most useful," Mazziotti said.«Nous espérons que cela fournira une façon différente de penser au bruit qui ouvrira de nouvelles avenues pour simuler des molécules avec des appareils quantiques."
Citation: «La relaxation des états stationnaires sur un ordinateur quantique donne une empreinte digitale spectroscopique unique du bruit de l'ordinateur." Smart, Hu, Kais, and Mazziotti, Nature Communications Physics, Jan.25, 2022.
Financement: u.S. réepartment of Energy’s Office of Basic Energy Sciences, National Science Foundation.Nous reconnaissons l'utilisation des services quantiques IBM pour ce travail.
