Comment vérifier que les puces quantiques calculent correctement

Dans un pas vers l’informatique quantique pratique, des chercheurs du MIT, de Google et d’ailleurs ont conçu un système qui peut vérifier quand les puces quantiques ont effectué avec précision des calculs complexes que les ordinateurs classiques ne peuvent pas faire.

Les puces quantiques effectuent des calculs en utilisant des bits quantiques, appelés  » qubits « , qui peuvent représenter les deux états correspondant à des bits binaires classiques – un 0 ou un 1 – ou une  » superposition quantique  » des deux états simultanément. L’état de superposition unique peut permettre aux ordinateurs quantiques de résoudre des problèmes qui sont pratiquement impossibles pour les ordinateurs classiques, ce qui pourrait entraîner des percées dans la conception de matériaux, la découverte de médicaments et l’apprentissage machine, entre autres applications.

Les ordinateurs quantiques à grande échelle nécessiteront des millions de qubits, ce qui n’est pas encore faisable. Au cours des dernières années, les chercheurs ont commencé à développer des puces  » Noisy Intermediate Scale Quantum  » (NISQ), qui contiennent environ 50 à 100 qubits. C’est juste assez pour démontrer  » l’avantage quantique « , ce qui signifie que la puce NISQ peut résoudre certains algorithmes qui sont insolubles pour les ordinateurs classiques. Cependant, vérifier que les puces ont effectué les opérations comme prévu peut être très inefficace. Les sorties de la puce peuvent sembler entièrement aléatoires, il faut donc beaucoup de temps pour simuler les étapes afin de déterminer si tout s’est passé comme prévu.

Dans un article publié aujourd’hui dans Physique de la natureLes chercheurs décrivent un nouveau protocole pour vérifier efficacement qu’une puce du NISQ a effectué toutes les bonnes opérations quantiques. Ils ont validé leur protocole sur un problème quantique notoirement difficile fonctionnant sur une puce photonique quantique personnalisée.

 » Comme les progrès rapides de l’industrie et du milieu universitaire nous amènent au point où les machines quantiques peuvent surpasser les machines classiques, la tâche de vérification quantique devient critique sur le plan du temps « , affirme le premier auteur, Jacques Carolan, un post-doctorant du Département de génie électrique et d’informatique (EECS) et du Laboratoire de recherche en électronique (RLE). « Notre technique fournit un outil important pour vérifier une large classe de systèmes quantiques. Parce que si j’investis des milliards de dollars pour construire une puce quantique, elle a intérêt à faire quelque chose d’intéressant. »

Des chercheurs de l’EECS et du RLE du MIT, ainsi que du Google Quantum AI Laboratory, d’Elenion Technologies, de Lightmatter et de Zapata Computing se joignent à Carolan pour cet article.

Diviser et conquérir

Le travail des chercheurs consiste essentiellement à retracer un état quantique de sortie généré par le circuit quantique jusqu’à un état d’entrée connu. Cela permet de savoir quelles opérations de circuit ont été effectuées sur l’entrée pour produire la sortie. Ces opérations devraient toujours correspondre à ce que les chercheurs ont programmé. Sinon, les chercheurs peuvent utiliser l’information pour déterminer où les choses se sont mal passées sur la puce.

Au cœur du nouveau protocole, appelé  » Variational Quantum Unsampling « , se trouve une approche  » diviser pour mieux régner « , dit Carolan, qui divise l’état quantique de sortie en morceaux. « Au lieu de tout faire d’un seul coup, ce qui prend beaucoup de temps, nous faisons ce décodage couche par couche. Cela nous permet de décomposer le problème pour l’aborder de manière plus efficace « , dit Carolan.

Pour cela, les chercheurs se sont inspirés des réseaux de neurones – qui résolvent des problèmes à travers de nombreuses couches de calcul – pour construire un nouveau  » réseau de neurones quantiques  » (QNN), où chaque couche représente un ensemble d’opérations quantiques.

Pour faire fonctionner le QNN, ils ont utilisé des techniques de fabrication traditionnelles en silicium pour construire une puce NISQ de 2 par 5 millimètres avec plus de 170 paramètres de contrôle – des composants de circuit accordables qui facilitent la manipulation du trajet des photons. Des paires de photons sont générées à des longueurs d’onde spécifiques à partir d’un composant externe et injectées dans la puce. Les photons traversent les déphaseurs de la puce – qui modifient le trajet des photons – en interférant les uns avec les autres. Cela produit un état de sortie quantique aléatoire – qui représente ce qui se passerait pendant le calcul. La sortie est mesurée par un réseau de capteurs photodétecteurs externes.

Cette sortie est envoyée au QNN. La première couche utilise des techniques d’optimisation complexes pour creuser dans le bruit de sortie afin de localiser la signature d’un seul photon parmi tous ceux qui sont brouillés ensemble. Ensuite, il « débrouille » ce photon unique du groupe pour identifier les opérations du circuit qui le ramènent à son état d’entrée connu. Ces opérations doivent correspondre exactement à la conception spécifique du circuit pour cette tâche. Toutes les couches suivantes font le même calcul – en supprimant de l’équation tous les photons précédemment décryptés – jusqu’à ce que tous les photons soient décryptés.

A titre d’exemple, disons que l’état d’entrée des qubits alimentés dans le processeur était tous des zéros. La puce NISQ exécute un tas d’opérations sur les qubits pour générer en sortie un nombre massif, apparemment changeant de façon aléatoire. (Un numéro de sortie changera constamment car il est dans une superposition quantique). Le QNN sélectionne des morceaux de ce nombre massif. Puis, couche par couche, il détermine les opérations qui ramènent chaque qubit à son état d’entrée de zéro. Si certaines opérations sont différentes des opérations planifiées à l’origine, c’est que quelque chose a mal tourné. Les chercheurs peuvent inspecter toute non-concordance entre les états de sortie et d’entrée prévus et utiliser cette information pour modifier la conception du circuit.

Boson « déséchantillonnage »

Lors des expériences, l’équipe a réussi à exécuter une tâche informatique populaire utilisée pour démontrer l’avantage quantique, appelée  » échantillonnage de boson « , qui est habituellement effectuée sur des puces photoniques. Dans cet exercice, les déphaseurs et autres composants optiques vont manipuler et convertir un ensemble de photons d’entrée en une superposition quantique différente des photons de sortie. En fin de compte, la tâche consiste à calculer la probabilité qu’un certain état d’entrée corresponde à un certain état de sortie. Il s’agira essentiellement d’un échantillon provenant d’une certaine distribution de probabilité.

Mais il est presque impossible pour les ordinateurs classiques de calculer ces échantillons, en raison du comportement imprévisible des photons. Il a été théorisé que les puces du NISQ peuvent les calculer assez rapidement. Cependant, jusqu’à présent, il n’y avait aucun moyen de vérifier cela rapidement et facilement, en raison de la complexité des opérations du NISQ et de la tâche elle-même.

« Les mêmes propriétés qui confèrent à ces puces une puissance de calcul quantique les rendent presque impossibles à vérifier « , dit Carolan.

Lors des expériences, les chercheurs ont pu  » déséchantillonner  » deux photons qui avaient traversé le problème d’échantillonnage du boson sur leur puce NISQ personnalisée – et en une fraction de temps, il fallait recourir aux méthodes de vérification traditionnelles.

 » C’est un excellent article qui utilise un réseau de neurones quantiques non linéaires pour apprendre l’opération unitaire inconnue effectuée par une boîte noire « , dit Stefano Pirandola, professeur d’informatique spécialisé dans les technologies quantiques à l’Université de York.  » Il est clair que ce schéma pourrait être très utile pour vérifier les portes réelles qui sont réalisées par un circuit quantique – (par exemple) par un processeur NISQ. De ce point de vue, le programme constitue un outil de référence important pour les futurs ingénieurs quantiques. L’idée a été remarquablement mise en œuvre sur une puce quantique photonique. »

Bien que la méthode ait été conçue à des fins de vérification quantique, elle pourrait aussi aider à saisir des propriétés physiques utiles, explique M. Carolan. Par exemple, certaines molécules, lorsqu’elles sont excitées, vont vibrer, puis émettre des photons en fonction de ces vibrations. En injectant ces photons dans une puce photonique, dit M. Carolan, la technique de décodage pourrait être utilisée pour découvrir de l’information sur la dynamique quantique de ces molécules afin d’aider à la conception moléculaire en bio-ingénierie. Il pourrait également être utilisé pour décrypter les photons porteurs d’information quantique qui ont accumulé du bruit en passant dans des espaces ou des matériaux turbulents.

 » Le rêve est d’appliquer cela à des problèmes intéressants dans le monde physique « , dit Carolan.