Renoncer au chaos quantique pour réaliser un transfert d’état quantique haute fidélité

Une équipe internationale de scientifiques chinois et américains a développé un protocole évolutif pour le transfert d’état quantique (QST) haute fidélité dans un circuit quantique supraconducteur de 36 qubits.

Les chercheurs se sont concentrés sur l’optimisation du couplage de qubits pour surmonter le chaos quantique dans les réseaux quantiques 2D.

À mesure que les systèmes informatiques quantiques se développent et se concentrent sur l’utilisation d’architectures à semi-conducteurs, le besoin d’une communication quantique haute fidélité et à courte portée augmente également. Les qubits supraconducteurs sont particulièrement privilégiés car ils offrent plus d’évolutivité et de praticité dans la construction de réseaux quantiques 2D.

Les approches plus traditionnelles du QST dans les réseaux 2D sont confrontées à des défis liés à l’accumulation d’erreurs. Par conséquent, les chercheurs proposent une approche alternative axée sur l’optimisation du couplage des qubits.

Phys.org s’est entretenu avec certains des chercheurs à l’origine du Communications naturelles étudier pour mieux comprendre leur travail.

Les co-auteurs, le professeur Qiujiang Guo et le chercheur postdoctoral Dr Liang Xiang de l’Université du Zhejiang, en Chine, ont expliqué leur motivation derrière la recherche : « Techniquement, la communication à courte portée entre les différentes parties du système quantique à l’état solide est exigeante à la fois pour la mise à l’échelle processeurs quantiques et mise en œuvre efficace d’algorithmes quantiques.

“D’un autre côté, les processeurs supraconducteurs programmables sont le choix naturel pour servir de support au transfert d’informations quantiques. Pourtant, la démonstration expérimentale du transfert d’état quantique se limite en grande partie à de petites chaînes avec peu de qubits”, ont-ils déclaré.

Comprendre la TVQ

“Dans la quête d’un ordinateur quantique à part entière, l’objectif est de reproduire les capacités de son homologue classique, à savoir le traitement, le stockage et la communication”, a déclaré le professeur Richard T. Scalettar de l’Université de Californie à Davis, co-auteur de la recherche. -auteur de l’étude.

“Nos recherches se sont concentrées sur ce dernier point, en s’attaquant à la manière de transporter efficacement un état quantique entre deux extrémités d’un dispositif quantique”, a ajouté le professeur Rubem Mondaini de l’Université de Houston, également co-auteur de l’étude.

Le QST est le processus de transfert de l’état d’un système quantique d’un qubit à un autre. C’est le fondement de tous les systèmes d’information et de communication quantiques.

Lorsqu’on fait référence à la fidélité de la TVQ, cela signifie avec quelle précision le transfert d’informations se produit sans erreurs ni décohérence. L’un des principaux défis consiste à minimiser les erreurs dues aux interactions environnementales.

Des recherches antérieures ont démontré le QST pour les systèmes idéaux à particule unique.

“Cette approche originale ne parvient pas à prendre en compte le fait que les dispositifs quantiques réels sont loin d’être parfaits et que les cas idéaux sans défauts ni couplages indésirables sont différents de ce que l’on peut voir dans un dispositif quantique réel”, a expliqué le professeur Mondaini.

Couplage de qubits et chaos quantique

Pour la communication quantique, l’un des éléments clés est le couplage de qubits. Il s’agit d’une interaction entre qubits où l’état d’un qubit influence l’état d’un autre. Elle est généralement médiée par des champs électromagnétiques pour les qubits supraconducteurs. L’étendue de cette interaction est mesurée par la force de couplage, qui peut souvent être ajustée ou contrôlée.

Bien que le couplage de qubits soit nécessaire au transfert d’informations entre qubits dans un système, il soulève également des défis tels que le chaos.

Le chaos quantique fait référence à un état dans lequel le comportement d’un système quantique est imprévisible en raison d’interactions complexes au sein du système. Cette imprévisibilité est très sensible à l’état initial du système, conduisant à des changements de comportement importants avec de légères variations des conditions initiales.

Le chaos est exagéré dans les systèmes à forte force de couplage entre qubits, provoquant des erreurs dans QST en perturbant la cohérence. Les défauts (comme les irrégularités ou les imperfections), comme l’a mentionné le professeur Mondaini, peuvent également exacerber un comportement chaotique.

Par conséquent, la gestion du chaos dans les systèmes quantiques est essentielle à la communication quantique.

“Notre méthode fonctionne pour les réseaux quantiques non idéaux, c’est-à-dire même si le couplage entre les qubits ne peut pas être réglé à des valeurs préétablies nécessaires à un transfert d’état parfait”, a déclaré le professeur Scalettar.

Recuit de Monte Carlo

L’équipe a abordé le problème en utilisant une méthode hybride, dans laquelle un ordinateur classique effectuait la tâche d’optimisation et un circuit quantique supraconducteur utilisait l’optimisation pour effectuer le QST.

Pour l’optimisation, les chercheurs ont utilisé une méthode appelée recuit de Monte Carlo (MC). Le recuit est un processus utilisé en métallurgie, dans lequel un matériau est chauffé à très haute température puis refroidi lentement pour modifier ses propriétés.

Dans ce cas, les chercheurs souhaitent maximiser la fidélité (ou QST efficace) et optimiser le paramètre de force de couplage. En termes simples, ils veulent trouver la valeur optimale de la force de couplage pour laquelle nous pouvons obtenir une QST efficace.

Explorer toutes les configurations possibles pour optimiser la force de couplage n’est pas pratique. La méthode MC échantillonne et optimise de manière aléatoire le couplage dans les circuits quantiques supraconducteurs.

Cette approche stochastique ou probabiliste parcourt efficacement les valeurs des paramètres pour maximiser la fidélité du QST. Le processus est itératif et la force de couplage est ajustée en fonction de l’échantillonnage probabiliste et de la puissance de calcul classique.

Implémentation d’un circuit quantique supraconducteur de 36 qubits

Les chercheurs ont utilisé leur technique d’optimisation pour utiliser un réseau de qubits supraconducteurs 2D 6×6, c’est-à-dire un réseau contenant 36 qubits.

Ils ont testé ce réseau pour trois types d’états quantiques, qu’ils ont transférés.

Le premier était un transfert à excitation unique, ce qui signifie qu’un seul qubit est excité dans le système. L’objectif est de voir comment cette excitation est transférée sur plusieurs qubits au sein du système quantique.

Pour les transferts à excitation unique, la fidélité s’est avérée être de 0,902. Une fidélité de 0,902 signifie que l’état réellement transféré correspond étroitement à l’état souhaité, avec une précision de 90,2 %.

Pour un transfert à deux excitations (deux qubits excités), le taux de fidélité était de 0,737, c’est-à-dire que l’information a été transférée avec une précision de 73,7 %.

Les chercheurs ont également testé leur réseau pour transférer un état Bell. Un état de Bell est un état de deux qubits intriqués au maximum. Lorsque les qubits sont dans un état de Bell, leurs propriétés quantiques sont corrélées de telle sorte que si vous mesurez l’état d’un qubit, vous connaissez instantanément l’état de l’autre, quelle que soit leur distance.

Dans ce cas, la fidélité s’est avérée être de 0,84 entre deux paires de qubits. La démonstration de la TVQ pour un état de Bell est cruciale, car elle vérifie les principes quantiques fondamentaux.

“Nous démontrons non seulement techniquement un processus de recuit de Monte Carlo pour améliorer la fidélité du transfert, mais révélons également les images physiques sous-jacentes du point de vue du comportement chaotique quantique et de la représentation à grand spin”, a déclaré le professeur Guo.

“Nos résultats vont bien au-delà de la portée des expériences précédentes, établissant non seulement un moyen pratique de réaliser un QST à quelques particules dans des réseaux 2D imparfaits, mais révélant également la compréhension physique sous-jacente du QST à partir de la théorie du moment cinétique et de l’ergodicité quantique”, a ajouté le Dr Xiang. .

Regarder vers l’avant

L’approche d’optimisation de l’équipe fonctionne de telle manière que les couplages entre les qubits d’un réseau quantique échappent à la manifestation du chaos quantique, ce qui a été confirmé par leurs résultats expérimentaux.

Parlant des applications directes potentielles de leur protocole, les professeurs Mondaini et Scalettar ont déclaré : « Il est probable que la fabrication d’un futur dispositif quantique puisse être facilitée en connectant un ensemble de processeurs quantiques plus petits. puis passer l’état au suivant formerait un processeur quantique distribué, qui pourrait utiliser l’approche que nous avons mise au point. »

Essentiellement, cela met en évidence l’évolutivité et la praticité de leur système pour les grands systèmes interconnectés.

Le professeur Guo et le Dr Xiang ont ajouté que leur système pourrait également fournir une technique constructive pour concevoir des canaux et des routeurs quantiques comme éléments de base pour connecter les nœuds de processeur.

Ils ont déclaré : « En s’appuyant sur le transfert d’état quantique haute fidélité, on peut mettre en œuvre des portes quantiques distantes efficaces à travers le processeur quantique, accélérant ainsi l’algorithme quantique. »

Par conséquent, leur protocole pourrait ouvrir des possibilités de développement de composants fondamentaux des réseaux de communication et d’information quantiques.

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