Une équipe dirigée par Harvard développe de nouveaux qubits logiques pour permettre des ordinateurs quantiques évolutifs
Une équipe de chercheurs travaillant sur l'Optimisation de la DARPA avec le programme ONISQ (USQ) de la DARPA a créé le premier circuit quantique avec des bits quantiques logiques (qubits), une découverte clé qui pourrait accélérer l'informatique quantique tolérante aux pannes et révolutionner les concepts pour la conception de processeurs d'ordinateurs quantiques.
Le programme ONISQ a commencé en 2020 pour démontrer un avantage quantitatif du traitement de l'information quantique en sautant les performances des superordinateurs uniquement classiques pour résoudre une classe de problèmes particulièrement difficile connue sous le nom d'optimisation combinatoire. Le programme a poursuivi un concept hybride pour combiner des processeurs quantiques de taille intermédiaire avec des systèmes classiques axés spécifiquement sur les problèmes d'optimisation intéressant la défense et l'industrie commerciale. Des équipes ont été sélectionnées pour explorer divers types de qubits physiques et non logiques, y compris les qubits supraconducteurs, les qubits d'ions et les qubits atomiques de Rydberg.
L'équipe de recherche de Harvard, soutenue par le MIT, QuEra Computing, Caltech et Princeton, s'est concentrée sur l'exploration du potentiel des qubits de Rydberg. Au cours de leurs recherches, l'équipe – dirigée par le professeur Mikhail Lukin, professeur de physique et codirecteur de l'Université Harvard Quantum, professeur de physique et co-directeur de la Harvard Quantum Initiative – a fait une percée majeure : ils ont développé des techniques pour créer des qubits logiques correcteurs d'erreurs en utilisant des qubits de Rydberg « malineux ». Les qubits logiques sont une pièce manquante critique dans le puzzle pour réaliser l'informatique quantique tolérante aux pannes. Contrairement aux qubits physiques sujets à l'erreur, les qubits logiques sont corrigés d'erreurs pour maintenir leur état quantique, ce qui les rend utiles pour résoudre un ensemble diversifié de problèmes complexes.
Harvard a construit des circuits quantiques avec environ 48 qubits logiques de Rydberg à ce jour dans leur laboratoire, le plus grand nombre de qubits logiques existant. La mise à l'échelle rapide du nombre de qubits logiques devrait être relativement simple en raison de la nature des qubits de Rydberg et de la manière dont ils peuvent être manipulés.
«Les qubits de RIdberg ont la caractéristique bénéfique d'être homogènes dans leurs propriétés – ce qui signifie que chaque qubit est indiscernable de la suivante dans leur comportement», a déclaré le Dr. Mukund Vengalattore, directeur du programme ONISQ au Defense Sciences Office de la DARPA. «Ce n’est pas le cas pour d’autres plates-formes telles que les qubits supraconducteurs où chaque qubit est unique et donc non interchangeable. L'homogénéité des qubits de Rydberg leur permet d'évoluer rapidement et permet également de les manipuler et de les déplacer facilement à l'aide de lasers sur un circuit quantique. Cela permet de s'affranchir des méthodes actuelles de mise en cause des opérations de qubit en ayant à les connecter séquentiellement, ce qui propage des erreurs tout au long de la puce. Il est maintenant possible d'imaginer une reconfiguration dynamique des qubits sur une puce quantique, où vous n'êtes plus limité à un processus séquentiel d'exécution de circuits quantiques. Maintenant, vous pouvez apporter des collections entières de qubits, tous, d'un endroit dans le circuit à un autre endroit sur le circuit en utilisant des brucelles laser, exécuter une opération, puis les remettre là où ils étaient à l'origine. Les qubits logiques Rydberg reconfigurables et transportables dynamique ouvrent des concepts et des paradigmes complètement nouveaux pour concevoir et construire des processeurs d'informatique quantique évolutifs ».
«Si quelqu’un avait prédit il y a trois ans lorsque le programme ONISQ a commencé que les atomes neutres de Rydberg pouvaient fonctionner comme des qubits logiques, personne n’en aurait cru», a déclaré le Dr. Guido zucarello, conseiller technique de la DARPA, a soutenu le programme ONISQ depuis son lancement en 2020. «C'est la façon de la DARPA de parier sur le potentiel de ces qubits moins étudiés avec les ions et les circuits supraconducteurs les plus étudiés. En tant que programme exploratoire, l'OSNISQ a donné aux chercheurs la possibilité d'explorer des applications uniques et nouvelles au-delà de la seule orientation de l'optimisation. En conséquence, l'équipe dirigée par Harvard a été en mesure de tirer parti de beaucoup plus du potentiel de ces qubits de Rydberg et de les transformer en qubits logiques, ce qui est une découverte très importante ».
Alors qu'il est prévu qu'au moins un ordre de grandeur supérieur à 48 qubits logiques sera nécessaire pour résoudre tous les grands problèmes envisagés pour les ordinateurs quantiques, la percée de qubits logiques de Rydberg jette un nouvel éclairage sur la vue traditionnelle selon laquelle des millions de qubits physiques sont nécessaires avant qu'un ordinateur quantique tolérant aux pannes puisse être développé. Étant donné la perspective de circuits quantiques reconfigurables dynamiquement, il est trop tôt pour dire combien de qubits logiques sont nécessaires pour résoudre un problème particulier ; mais il pourrait potentiellement être beaucoup moins que prévu à l'origine.
L'un des nombreux programmes quantiques de la DARPA datant du début des années 2000 a été de construire des ponts entre les communautés de recherche en matière de détection quantique et de recherche en science de l'information quantique, qui ont traditionnellement été siloées. La DARPA a aidé ces communautés à mieux comprendre comment contrôler et manipuler les états quantiques à des niveaux de précision extrêmement élevés.
«Les équipes de recherche de l’ONISQ pourraient s’appuyer sur une riche boîte à outils de connaissances quantiques développée à travers de multiples programmes de détection quantique de la DARPA et de la science de l’information quantique au cours des dernières années», a déclaré Vengalattore. «Cette boîte à outils comprenait des informations fondamentales et techniques profondes de nombreux programmes de la DARPA, y compris OLE [Optical Lattice Emulator, QuASAR [Quantum-Assisted Sensing and Readout, ATN [All Together Now, et DRINQS [Driven and Nonequilibrium Quantum Systems) ».
Vengalattore a souligné que le regroupement des communautés de la détection quantique et de la science de l'information quantique sous ONISQ a permis l'application des connaissances de détection quantique de Rydberg à un défi de l'informatique quantique à un rythme que peu de gens auraient pu prévoir il y a quelques années.
«Cette fusion de domaines de recherche s’appuyant sur les résultats d’une série d’efforts quantiques antérieurs conduits par la DARPA a facilité la découverte que les atomes de Rydberg peuvent être utilisés pour créer des qubits logiques corrigés des erreurs», a déclaré Vengalattore. «Aussiants et transformateurs que soient ces résultats, nous considérons qu’il s’agit d’un pas vers une vision à plus long terme de la concrétisation des voies de perturbation vers l’informatique quantique corrigée des erreurs et d’autres domaines de la technologie quantique.»
Les détails techniques de la percée de l'équipe de Harvard ont été publiés dans un article dans Nature Magazine on Dec. 6, 2023:
https://www.nature.com/articles/s41586-023-06927-3 
