Dans le domaine de l’informatique classique, une machine de Turing est généralement représentée comme une machine abstraite capable d’implémenter n’importe quel algorithme informatique classique grâce à des états, une bande magnétique et une tête de lecture/écriture. Les premiers ordinateurs, datant des années 1950, étaient d’énormes ordinateurs centraux qui implémentaient une telle architecture de Turing.
Mais qu’en est-il des algorithmes quantiques ? Que faut-il pour les mettre en œuvre ? Il est généralement admis que les ordinateurs centraux d’hier sont aux ordinateurs classiques ce que la pile de contrôle quantique d’aujourd’hui est aux ordinateurs quantiques. Il est également admis que le passage des ordinateurs centraux aux ordinateurs quantiques compacts, évolutifs et efficaces se produira dans les 5 à 10 prochaines années.
Cette note a pour but de fournir un guide simple et concis pour comprendre les exigences d’exécution d’un algorithme quantique. Elle s’appuie sur le « pseudo-algorithme » décrit dans la note précédente concernant la vidéo sur l’algorithme de Grover de 3 blue 1 brow.
Exigences pour l’exécution de l’algorithme quantique
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Il y a quelques points à noter dans le diagramme ci-dessus :
- Synchronicité : L’exécution simultanée des « portes à un qubit » (représentées par des rectangles) sur différents qubits est incorrecte. L’exécution simultanée de deux portes n’est pas requise, sauf s’il s’agit de portes multiqubits. Par conséquent, l’expression « étapes de contrôle » est trompeuse et il serait plus juste de parler de « séquences de portes de contrôle ».
Initialisation Les qubits sont initialement « réinitialisés » dans l’état |0>. Le terme « réinitialisation » évoque ici une opération complexe, qu’il serait plus juste de décrire comme une porte logique. Or, une telle porte n’existant pas, une implémentation possible consiste à utiliser une porte conditionnelle basée sur la lecture précédente du même qubit.
Durée de vie des qubits Les qubits sont connus pour leur instabilité temporelle, un phénomène appelé décohérence. Cette dernière exige que l’algorithme quantique soit exécuté plus rapidement que le temps de décohérence du qubit. Ce temps dépend de la modalité du qubit – un sujet que j’aborderai dans une note la semaine prochaine. Supposons pour l’instant qu’il existe un temps t représentant la durée maximale d’exécution de l’algorithme quantique.
La durée des portes logiques peut être extrêmement courte, selon qu’il s’agisse d’un seul qubit ou de plusieurs qubits, et selon la modalité du qubit. Pour les qubits supraconducteurs/de spin, également appelés « modalités rapides », cette durée est de l’ordre de la centaine de nanosecondes, et certains laboratoires de recherche tentent de repousser cette limite à environ 20 nanosecondes. Consultez la spécification du spin-2.
- Mesure en cours de circuit À première vue, les portes multiqubits, telles que CNOT, présentent une contradiction : l’exécution d’une porte dépend de l’état d’une autre sans enfreindre le principe d’observabilité ni réduire l’état de superposition des qubits. Ce sujet mériterait un article à lui seul ; supposons donc qu’une méthode fonctionnelle existe. Cependant, dans certains cas, il est acceptable de réduire l’état à une valeur booléenne classique et d’utiliser cette valeur comme entrée de la porte. On parle alors de mesure en cours de circuit, généralement représentée par une flèche à deux traits.
La correction d’erreurs quantiques (QEC) est étonnamment absente de l’algorithme présenté. À ce stade, j’ignore s’il s’agit d’une méta-décoration de l’algorithme opérant au niveau des qubits physiques, d’une propriété intrinsèque de la machine quantique fonctionnant sur les qubits logiques, ou des deux. Je devrai clarifier ma pensée dans une note de service à ce sujet.
Chronologie standardisée : T1 et T2
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Cette note ne serait pas complète sans la présentation des deux durées essentielles, T1 et T2 :
T1, également connu sous le nom de temps de relaxation, est le temps nécessaire à un qubit pour perdre de l’énergie et passer de l’état excité à l’état fondamental ; en d’autres termes, le « temps de |1⟩ à |0⟩ ».
T2 , également connu sous le nom de temps de déphasage, est le temps pendant lequel l’information de phase du qubit est préservée ; en d’autres termes, le temps pendant lequel la phase de superposition, ou état « magique », est valide.
Étant donné que T1 représente la perte d’énergie du qubit, T2 ne peut être que toujours inférieur ou égal à T1. Mais que se passe-t-il pendant l’intervalle de temps T2 à T1 ? Le qubit conserve de l’énergie, mais pas suffisamment pour maintenir l’état de superposition quantique.
Je me demande à quoi sert T1, puisque, au-delà de T2, le qubit ne produit plus d’état quantique valide. Cela pourrait être lié à la correction d’erreurs quantiques (QEC), qui s’assurerait que cette correction intervienne pendant une période T2 et que la durée maximale de correction d’erreurs du qubit soit égale à T1. Je vais consulter les spécialistes et mettre à jour la note.
Les expériences de Rabi et Ramsey
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Cette note ne serait pas complète non plus sans une référence à deux expériences liées à T1 et T2.
Rabi & T1 : T1 utilise les oscillations de Rabi pour mesurer le temps de relaxation : la séquence de Rabi amène le spin à partir d’un état initial, et la décroissance ultérieure des oscillations de Rabi due à la relaxation longitudinale (T1) est ensuite mesurée pour déterminer la vitesse à laquelle le spin revient à l’équilibre thermique.
Ramsey et T2 : T2 est le plus souvent caractérisé par l’interférométrie de Ramsey.
T1 et Rabi ne sont pas identiques - La littérature fait souvent référence à la fréquence de Rabi nécessaire pour exciter le qubit à |1>.
Sur l’image de droite, tirée de Quantum Machines, les mesures de Rabi et Rasmey sont entrelacées avec une variation de la fréquence de désaccord du qubit, pour donner un motif en forme de « chevron ».
Il convient de noter que la fréquence de Rabi Ω représente la fréquence à laquelle un système à deux niveaux est excité par une source résonante, c’est-à-dire l’intensité du couplage entre les deux états. La fréquence de désaccord Δ correspond à la différence entre la fréquence d’excitation et la fréquence de résonance naturelle du système. Lorsque la source est parfaitement en résonance, Δ = 0. Dans ce cas, le système oscille uniquement à la fréquence de Rabi conventionnelle (ou « nue ») Ω.
De nombreuses recherches sont liées à l’amélioration du réglage de fréquence, comme l’utilisation de réseaux neuronaux comme expliqué dans l’un des précédents articles de blog.
C’est assez amusant : je comprends maintenant pourquoi le leader du marché s’appelle « Quantum Machine », et c’est en réalité une stratégie judicieuse de leur part. On aurait pu s’attendre à ce qu’ils se présentent comme une « machine de Turing pour algorithmes quantiques », voire une « machine abstraite quantique » (1) de cet algorithme. Certains l’appellent une « pile de contrôle quantique », mais je préfère l’appellation de « machine », car elle est bien plus en phase avec l’objectif final : l’exécution des algorithmes quantiques.
Voilà, cette note de service du dimanche matin n’entrait pas dans les détails, mais posait les bases de ce que nous devrons désormais appeler une machine informatique quantique.
(1) QM a effectivement publié une machine abstraite quantique, appelée QUAM, qui permet de penser en termes de qubits et d’opérations quantiques plutôt qu’en termes de canaux et de formes d’onde, s’alignant ainsi plus étroitement sur les processus de pensée des physiciens.