Au niveau microscopique, le verre à vitre présente un curieux mélange de propriétés. Ses atomes sont désordonnés comme un liquide, mais ils possèdent la rigidité d'un solide ; lorsqu’une force est appliquée à un atome, elle affecte tous les autres.
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, certaines quantités changent lorsqu’elles sont mesurées. Nous constatons que certaines séquences aléatoires de ces mesures incompatibles conduisent à la formation d’un verre de spin quantique », a déclaré Erich Mueller, professeur de physique au Collège des Arts et des Sciences (A&S). "L'une des implications de nos travaux est que certains types d'informations sont automatiquement protégés dans des algorithmes quantiques qui partagent les caractéristiques de notre modèle."
Développements récents en recherche
L'étude a été récemment publiée dans Physical Review 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. La recherche a reçu un financement d’une subvention New Frontier du Collège des arts et des sciences.
"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 « verre tournant ». Nous recherchons désormais d’autres formes d’ordre caché et pensons que cela nous mènera à une 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.
Avancées dans la correction des erreurs quantiques
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 entre eux. Nous empruntons le langage de la cryptographie pour parler de telles stratégies et 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 tournant, qui indique qu'il y a des informations cachées supplémentaires qui circulent, qui devraient être utilisables d'une manière ou d'une autre pour l'informatique, même si nous ne savons pas encore comment."
Référence : « Symétrie du sous-système, ordre du verre de spin et criticité à partir de mesures aléatoires dans un circuit Bacon-Shor bidimensionnel » par Vaibhav Sharma, Chao-Ming Jian et Erich J. Mueller, 31 juillet 2023, Physical Review B.
DOI : 10.1103/PhysRevB.108.024205
