La préparation des états magiques demeure l'un des aspects les plus gourmands en ressources de l'informatique quantique. Ces travaux rendent cette préparation moins coûteuse en termes de qubits et considérablement plus rapide, consolidant ainsi la feuille de route vers l'ensemble de portes universelles tolérantes aux pannes nécessaire à l'exécution d'applications quantiques utiles à grande échelle. Leur nouvelle approche, présentée dans l'article « Unfolded distillation: very low-cost magic state preparation for biased-noise qubits », a récemment été publiée sur arXiv. Le nouveau code s'inspire de méthodes existantes et est adapté aux qubits cat de l'entreprise, qui protègent intrinsèquement contre les erreurs de retournement de bits dans les calculs quantiques (un « biais de bruit »).
Pour réaliser un calcul quantique universel capable d'exécuter n'importe quel algorithme quantique, y compris ceux dont les accélérations sont connues par rapport aux algorithmes classiques comme ceux de Shor et de Grover, un ordinateur quantique doit prendre en charge un ensemble complet d'opérations fondamentales spécifiques, ou portes. Si certaines portes peuvent être implémentées directement, d'autres nécessitent l'utilisation de ressources quantiques spécifiques appelées états magiques. Ces états doivent être soigneusement préparés et manipulés pendant le calcul afin de permettre des opérations « non triviales » impossibles à exécuter directement, complétant ainsi l'ensemble des portes universelles. Autrement dit, les états magiques activent les dernières portes nécessaires pour compléter l'ensemble des opérations nécessaires à l'exécution de n'importe quel algorithme quantique.
L'état de la recherche sur les états magiques
La distillation optimale de l'état magique nécessiterait des agencements 3D complexes de qubits, conduisant à des architectures trop difficiles à concevoir dans des QPU à semi-conducteurs. Des recherches récentes menées par des scientifiques de Google ont émis l'hypothèse que la production d'états magiques avec de faibles taux d'erreur ne nécessiterait que 463 qubits dans une nouvelle architecture 2D, combinant des décennies de recherche en correction d'erreurs quantiques et relevant le défi de l'architecture 3D pour réduire considérablement les besoins en qubits. Les chercheurs d'Alice & Bob et d'Inria sont parvenus à « déplier » le code 3D, un peu comme on aplatit une boîte, pour en faire une structure 2D encore plus pratique. Ce code déplié pour la préparation de l'état magique, surnommé en interne le « Code Cœur » en raison de sa forme distinctive, n'est possible que grâce à des qubits biaisés par le bruit, tels que les qubits chat développés par Alice & Bob.
Le code déplié simplifie les opérations globales et réduit les frais généraux, ne nécessitant que 53 qubits pour produire un état magique. Il en résulte une réduction remarquable de 8,7 fois les besoins en qubits par rapport aux approches les plus performantes, tout en nécessitant 5 fois moins de cycles de correction d'erreurs quantiques, ce qui le rend environ 5 fois plus rapide que les plateformes supraconductrices de pointe pour un taux d'erreur identique, inférieur à 1 sur 1 million.
« Les acteurs les plus avancés du quantique ont multiplié les avancées pour réduire les coûts de préparation des états magiques, et il est passionnant de voir comment notre travail améliore encore l'état de l'art sur les qubits à bruit biaisé », a déclaré Diego Ruiz, auteur de l'article et doctorant à Alice & Bob et Inria.
Il est important de noter que ce protocole d'état magique utilise uniquement les composants déjà requis par l'architecture de correction d'erreurs quantiques d'Alice & Bob, notamment les opérations fondamentales et les qubits cat physiques. Ainsi, aucun nouveau développement n'est nécessaire et l'entreprise peut se concentrer sur l'atteinte des performances visées.
Cette recherche met en évidence les avantages prometteurs du biais de bruit des qubits cat pour réduire la surcharge matérielle nécessaire à l'informatique quantique utile, non seulement lorsqu'il est combiné avec des codes d'erreur avancés comme LDPC décrits dans un autre article récent des chercheurs d'Alice & Bob, mais maintenant aussi dans le contexte de la préparation de l'état magique.
« Cet obstacle majeur à l'utilisation d'ordinateurs quantiques est enfin surmonté par la communauté, certains acteurs ayant même réalisé la première démonstration de faisabilité d'un état magique en conditions expérimentales », a déclaré Théau Peronnin, PDG d'Alice & Bob. « En s'appuyant sur les qubits cat, ces travaux réduisent encore les risques liés à notre feuille de route tout en démontrant les avantages à long terme de notre plateforme universelle. »
