Comprendre les qubits – Percées en matière de téléportation et d’interaction contrôlée

Il se passe beaucoup de choses dans le monde de l’informatique quantique. Le géant des puces Nvidia a lancé une plate-forme open source CUDA-Q pour accélérer les efforts d'informatique quantique, tandis que la Chine a créé sa plus grande puce informatique quantique. Il y a ensuite des scientifiques de l’Université de Manchester qui ont développé du silicium ultra-pur qui ouvre la voie aux ordinateurs de nouvelle génération.

Tout cet engouement et ce développement autour des ordinateurs quantiques sont logiques, étant donné que la technologie recèle un immense potentiel dans divers domaines, notamment la cryptographie, la découverte de médicaments, la résolution de problèmes d'optimisation complexes, l'amélioration des algorithmes d'apprentissage automatique et bien plus encore.

Les ordinateurs quantiques peuvent réaliser tout cela en tirant parti de la théorie quantique, qui concerne le comportement et la nature de la matière et de l’énergie aux niveaux atomiques et subatomiques encore plus petits. L'informatique quantique utilise des particules subatomiques telles que les photons et l'électronique. Les qubits (bits quantiques) permettent ensuite à ces particules d'exister simultanément dans plusieurs états et sont manipulées par des dispositifs de contrôle.

Pour gérer des vitesses exponentiellement plus rapides que votre ordinateur traditionnel tout en consommant moins d’énergie, les ordinateurs quantiques utilisent la superposition et l’intrication. 

La superposition implique l'ajout de deux ou plusieurs états quantiques pour créer encore un autre état quantique valide. La superposition de qubits permet aux ordinateurs quantiques de traiter des millions d'opérations simultanément.

L'intrication se produit lorsque deux systèmes sont liés de telle sorte que connaître l'état de l'un donne une connaissance immédiate de l'autre. Ce permet aux ordinateurs quantiques de résoudre rapidement des problèmes complexes.

Le problème ici est la décohérence, qui est la perte de l’état quantique d’un qubit en raison de facteurs tels que le rayonnement, les vibrations ou le changement de température. Ce provoque des erreurs de calcul. Pour protéger les Qubits des interférences, ils sont placés dans les chambres à vide, les isolants et les réfrigérateurs surfondus. 

Comme nous l'avons vu, les qubits jouent un rôle essentiel dans la création de l'informatique quantique, mais pas dans tout. On sait à propos d'eux. Cependant, deux expériences indépendantes récentes ont élargi notre compréhension des qubits, marquant ainsi une étape importante vers la construction d’un ordinateur quantique fonctionnel.

Téléportation quantique réalisée

De nouvelles recherches ont réussi à réaliser la téléportation quantique malgré tout le bruit qui perturbe généralement le transfert de l'état quantique. Lors de la téléportation, un qubit est transféré d'un endroit à un autre sans envoyer la particule elle-même. 

En théorie, le transfert de l'état quantique peut se faire sans aucun problème, mais dans le monde réel, les perturbations et les bruits dégradent la qualité de la téléportation quantique. Ainsi, les chercheurs de la dernière étude ont découvert que parvenir à une téléportation quantique parfaite malgré le bruit est un grand exploit.

Publié dans la revue Science Advances, le étude explique comment l'intrication et la décohérence sont des forces contraires à de nombreux protocoles et technologies quantiques. 

ASelon la recherche, l'intrication quantique qui se produit dans des corrélations s'étendant sur des distances arbitrairement longues est très importante pour les fondements de la mécanique quantique. Ses applications sont nombreuses dans le traitement de l'information et la communication. Cependant, les interactions entre un système quantique et son environnement sont inévitables, et la décohérence peut gravement dégrader les performances de ces applications. 

Bien qu'il existe de nombreux protocoles prometteurs de suppression de décohérence, avec des travaux récents exploitant des sous-espaces sans décohérence, le découplage dynamique, les codes de correction d'erreurs quantiques, la rétroaction quantique cohérente retardée et l'ingénierie de réservoir avec des sous-systèmes auxiliaires, éviter la décohérence est extrêmement exigeant en pratique.

A ce titre, l’étude a proposé un protocole efficace de téléportation quantique en décohérence absolue. 

L'étude menée par des chercheurs de l'Université des sciences et technologies de Chine, Hefei, et de l'Université de Turku, Finlande, a utilisé l'intrication hybride multipartite entre les qubits auxiliaires et leurs environnements locaux dans le contexte d'un système quantique ouvert, ce qui lui a permis d'atteindre des résultats élevés. précision. 

Selon les chercheurs, l’optique linéaire constitue une plateforme particulièrement robuste pour réaliser différents protocoles d’information quantique et étudier les problèmes de décohérence. 

Selon Jyrki Piilo, professeur à l'Université de Turku, les travaux de cette étude utilisent la notion d'intrication distribuée. Cette distribution d'intrication va au-delà des qubits utilisés et est fait avant d’utiliser le protocole. Ce signifie « exploiter l’intrication hybride entre différents degrés physiques de liberté », a déclaré Piilo.

Traditionnellement, la polarisation des photons a été utilisée pour enchevêtrer des qubits lors de la téléportation. Cependant, la nouvelle approche exploite l’intrication hybride entre la polarisation des photons et la fréquence.

Ce apporte un grand changement dans la façon dont le bruit influence le protocole. La découverte, en fait, « inverse le rôle du bruit de nocif à bénéfique pour la téléportation », a déclaré Piilo.

Traditionnellement, le protocole de téléportation ne fonctionne pas lorsqu'il y a non seulement du bruit lors de l'intrication des qubits, mais aussi lorsque l'intrication hybride est initialement présente sans bruit. En revanche, avec l'intrication hybride et l'ajout de bruit, la téléportation et le transfert d'état quantique se déroulent presque parfaitement.

Ainsi, la dernière découverte permet une téléportation presque idéale malgré le bruit associé à l’utilisation des photons.

Les chercheurs appellent cela une « expérience significative de démonstration de principe », le Dr Zhao-Di Liu de l’Université des sciences et technologies de Chine à Hefei notant :

"Bien que nous ayons réalisé de nombreuses expériences sur différentes facettes de la physique quantique avec des photons dans notre laboratoire, c'était très excitant et gratifiant de voir cette expérience de téléportation très difficile. réussir complété."

L’étude a noté qu’en plus de lutter contre la décohérence, l’enchevêtrement hybride les a également aidés à apporter un niveau de sécurité supplémentaire. L’étude indiquait :

« Ce serait une voie de recherche future intéressante que d’étudier à quelle profondeur les informations téléportées peuvent être masquées. » 

Ce n'est qu'un début, car cette étude revêt une importance fondamentale pour ouvrir de nouvelles perspectives de travaux futurs sur les protocoles quantiques, en s'appuyant sur celle-ci comme base de recherche. Cette technique peut notamment être appliquée au transfert d'état hors de la téléportation quantique et au-delà des sous-espaces sans décohérence.

La recherche ouvre également la possibilité de voir si la décohérence peut être inversé dans d'autres plates-formes physiques, y compris différentes sources de bruit.

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Réalisation d'une porte à deux qubits dans un transistor au silicium conventionnel

L'autre étude, qui a été réalisée par des chercheurs de la plus ancienne université de Suisse, l'Université de Bâle, in collaboration avec ceux du Pôle National de Compétence en Recherche (PRN) SPIN, fait une percée en obtenant une interaction contrôlable entre deux qubits de spin de trous dans un transistor en silicium traditionnel. 

Publiée dans Nature, l'étude, qui a reçu un financement en libre accès de l'Université de Bâle, a noté que les qubits de spin semi-conducteurs offrent la possibilité d'utiliser la technologie des transistors industriels pour produire des ordinateurs quantiques à grande échelle. 

Pour qu'un ordinateur quantique puisse effectuer des calculs, il a besoin de « portes quantiques », des opérations qui manipulent les qubits et les couplent. Dans leur dernière étude, les chercheurs ont non seulement réussi à coupler deux qubits, mais aussi à provoquer une inversion contrôlée du spin de l'un d'eux, qui dépend de l'état de spin de l'autre. Le couplage dépend de l'interaction d'échange des deux qubits de spin.

« Les rotations de trous nous permettent de créer des portes à deux qubits à la fois rapides et haute fidélité. Ce principe permet désormais également de coupler un plus grand nombre de paires de qubits. 

– Dr Andreas Kuhlmann

Les chercheurs ont déjà montré il y a quelques années que le trou tourne dans un appareil électronique existant et peut être piégé et utilisé comme qubits. Kuhlmann a mené cette équipe de physiciens bâlois au succès en réalisant une interaction entre deux qubits qui peut être contrôlé.

Bien que les qubits en question bénéficient du fait d'être contrôlables électriquement et d'avoir des points faibles pour annuler la charge et le bruit, démontrer une interaction à deux qubits a été un défi.

Selon l'étude, il manquait une compréhension du couplage d'échange lors d'une forte interaction spin-orbite. Pour y remédier, les scientifiques ont étudié deux qubits trou-spin dans un transistor à effet de champ à ailettes (FinFET) en silicium. Le couplage spin-orbite signifie que l'état de spin d'un trou est affecté par son mouvement dans l'espace.

Ainsi, les qubits de rotation des points quantiques (QD) à semi-conducteurs sont vus comme le plus approprié pour les futures implémentations de circuits quantiques à grande échelle. Cependant, même le processeur quantique basé sur le spin le plus avancé permet actuellement un contrôle universel de six qubits de spin électronique dans le silicium (Si). Ce est suivi de près par une démonstration de quatre qubits avec des trous dans le germanium. 

Pour l’étude, les chercheurs ont utilisé un qubit qui utilise le spin d’un électron ou d’un trou. Les électrons et les trous tournent et adoptent l’état haut ou bas. 

Les spins des trous, comparés aux spins des électrons, peuvent être contrôlés entièrement électriquement sans nécessiter de dégénérescence orbitale ou de composants supplémentaires tels que des micro-aimants sur puce, qui ajoutent de la complexité à l'équation. Ce est dû à leur interaction spin-orbite intrinsèque (SOI). Les trous bénéficient en outre d’une interaction hyperfine réduite et de l’absence de vallée.

En tant que telle, l’étude démontre la capacité de contrôler électriquement l’échange et d’effectuer un retournement de rotation conditionnel en 24 ns. L'hamiltonien d'échange n'a plus la forme Heisenberg et peut être conçu pour permettre des portes de rotation contrôlées à deux qubits sans sacrifier la vitesse pour la précision ou vice versa. Selon la recherche :

"Ce comportement idéal s'applique sur une large gamme d'orientations de champ magnétique, rendant le concept robuste par rapport aux variations d'un qubit à l'autre, indiquant qu'il s'agit d'une approche appropriée pour réaliser un ordinateur quantique à grande échelle."

Cette étude suggère la possibilité de disposer des millions de qubits de spin de trous sur une seule puce. Son approche montre également de grandes possibilités pour le développement d’un ordinateur quantique à grande échelle.

De futures améliorations dans la fabrication des dispositifs sont nécessaires pour réduire la variabilité. Lorsqu’elles sont combinées à des points forts de rotation contrôlée robuste (CROT), ces avancées « rendront les opérations de porte à deux qubits avec échange anisotrope très attrayantes pour les réseaux de qubits à grande échelle ».

Les progrès de la recherche, s'ils sont combinés à une lecture rapide et à un fonctionnement supérieur à 1 K, peuvent permettre à FinFET de être utilisés comme un processeur quantique universel disposé sur une puce utilisée dans l’électronique de contrôle classique.

Entreprises impliquées dans le développement d’ordinateurs quantiques

Examinons maintenant les entreprises qui travaillent activement sur les ordinateurs quantiques :

# 1. IBM

IBM mène la recherche sur l'informatique quantique depuis de nombreuses années et a développé IBM Q System One, le premier ordinateur quantique commercial basé sur des circuits. La société donne accès à ses systèmes quantiques via la plateforme IBM Quantum Experience. 

Plus tôt ce mois-ci, IBM a dévoilé son processeur quantique de plus de 1,000 133 qubits Condor et son processeur à l'échelle utilitaire IBM Quantum Heron avec XNUMX qubits. Il a également annoncé le lancement d'un ordinateur quantique modulaire, Quantum System Two. Parallèlement, grâce à la pile logicielle Qiskit, IBM vise à rendre le développement de l'informatique quantique largement accessible.

Cette année, le laboratoire national de recherche japonais RIKEN a annoncé qu'il déploierait le processeur quantique et l'architecture d'ordinateur quantique d'IBM pour l'intégration avec le supercalculateur Fugaku. 

Le recherches récentes de l'entreprise sur le terrain comprend entre-temps :

• Mémoire quantique à seuil élevé et à faible surcharge, tolérante aux pannes.
• Encoder un état magique avec une fidélité au-delà du seuil de rentabilité.
• Simulation de chaînes de spin quantiques de grande taille sur des ordinateurs quantiques supraconducteurs basés sur le cloud.

Au moment de la rédaction de cet article, les actions de la société se négocient à 167.36 dollars, en hausse de 2.33 % depuis le début de l'année, tandis que sa capitalisation boursière est de 153.73 milliards de dollars. IBM a déclaré un chiffre d'affaires (TTM) de 62.07 milliards de dollars, un BPA (TTM) de 9.19 et un P/E (TTM) de 18.22. Le rendement du dividende est de 3.99 %. 

Lors de son récent rapport financier du premier trimestre 1, IBM a vu son chiffre d'affaires augmenter de 2024 % sur un an au cours du trimestre pour atteindre 1.5 milliards de dollars et un flux de trésorerie disponible de 14.5 milliard de dollars. La société note que sa « solide croissance des revenus et des flux de trésorerie disponibles » reflète la force de sa stratégie cloud et IA.

# 2. Google 

Dans le monde de l'informatique quantique, Google a progressé avec son laboratoire d'IA quantique, qui travaille à la fois sur le matériel et les logiciels. Il y a quelques années, la division a lancé Sycamore, un processeur quantique de 53 qubits. Actuellement, le matériel du géant technologique se concentre sur les qubits supraconducteurs, tandis que sa pile logicielle avancée explore la puissance de l'informatique quantique. 

Il y a quelques mois, Google a lancé un concours mondial pluriannuel visant à trouver des cas d'utilisation concrets de l'informatique quantique, doté d'un prix de 5 millions de dollars. sera divisé parmi les finalistes. Google a noté en mars :

« Bien qu'il existe de nombreuses raisons d'être optimiste quant au potentiel de l'informatique quantique, nous ne savons pas encore exactement comment, quand et pour quels problèmes du monde réel cette technologie se révélera la plus transformatrice. » 

Les récentes avancées de l'entreprise Une étude dans ce domaine, cela comprend la suppression des erreurs quantiques par la mise à l'échelle d'un qubit logique de code de surface, la transition de phase dans l'échantillonnage de circuits aléatoires, ainsi que l'intrication et la téléportation induites par les mesures sur un processeur quantique bruyant.

Au moment d'écrire ces lignes, les actions de la société se négocient à 107.48 dollars, en hausse de 21.94 % depuis le début de l'année, tandis que sa capitalisation boursière est de 2.12 billions de dollars. Google a déclaré un chiffre d'affaires (TTM) de 218.14 milliards de dollars tout en ayant un BPA (TTM) de 6.52 et un P/E (TTM) de 26/13. Il verse un rendement en dividende de 0.47 %. 

Au premier trimestre 1, la société a annoncé une hausse de 24 % de son chiffre d'affaires, qui s'élève à 13 milliards de dollars, un bénéfice net de 86.3 milliards de dollars et un dividende par action de 20.28 dollars, le tout premier de son histoire. Au printemps 20, sa capitalisation boursière a franchi le cap des 2024 2 milliards de dollars, ce qui en fait la quatrième société cotée la plus valorisée au monde.

Conclusion

Il y a eu une course pour construire un ordinateur quantique fonctionnel, pour laquelle les chercheurs sont concentrés sur la compréhension des qubits et le travail avec différentes technologies de qubits. Les qubits constituent la base de l’ordinateur quantique car ils gèrent tout le traitement, le transfert et le stockage des données. C’est pourquoi toutes les recherches ont porté sur les qubits, y compris les deux derniers présentés ici, qui visent à aider à la construction d’un ordinateur quantique pratique.

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