Un chemin vers la suprématie quantique

Une nouvelle étude dans Lettres d'examen physique (PRL) introduit le concept d'états quantiques pseudomagiques, qui semblent avoir une grande stabilité (ou complexité) et peuvent nous rapprocher de la suprématie quantique.

La suprématie quantique ou avantage quantique est la capacité des ordinateurs quantiques à simuler ou à exécuter des calculs que les ordinateurs classiques ne peuvent pas (en raison de leurs capacités de calcul limitées).

La réalisation du calcul quantique universel est la capacité des ordinateurs quantiques à effectuer n’importe quel calcul quantique arbitraire, et la suprématie quantique en est au cœur.

Le nouveau PRL l’étude explore les états non stabilisateurs ou les états magiques. Ce sont des états quantiques qui permettent des calculs quantiques qui ne peuvent pas être simulés efficacement sur des ordinateurs classiques. C’est cette complexité qui donne aux ordinateurs quantiques leur puissance potentielle.

Phys.org s'est entretenu avec les co-auteurs de l'article Andi Gu, titulaire d'un doctorat. étudiant à l'Université Harvard et Dr Lorenzo Leone, chercheur postdoctoral à la Freie Universität de Berlin.

“Le point de départ pour comprendre notre recherche est que le calcul quantique est plus puissant que le calcul classique. En informatique quantique, le terme non-stabilisation ou magie fait référence à une mesure des ressources non classiques possédées par un état quantique”, a expliqué Gu.

États quantiques stabilisateurs et non-stabilisants

Chaque système quantique peut être représenté comme un état quantique, une équation mathématique contenant toutes les informations sur le système.

Un état stabilisateur est un type d’état quantique qui peut être efficacement simulé (ou exécuté) sur un ordinateur classique.

“Ces états, ainsi qu'un ensemble restreint d'opérations quantiques appelées opérations de stabilisation, forment un cadre classiquement simulable. Cependant, les états et les opérations de stabilisation ne suffisent pas à eux seuls pour réaliser un calcul quantique universel”, a expliqué le Dr Leone.

Pour effectuer des calculs véritablement quantiques et au-delà des capacités classiques, des états non stabilisateurs sont nécessaires. Ces états peuvent permettre aux ordinateurs quantiques d’effectuer des tâches irréalisables pour les ordinateurs classiques. Cependant, l’un des principaux défis consiste à construire ces états magiques.

Les États non stabilisateurs sont intrinsèquement difficiles à construire car ils nécessitent des opérations quantiques plus complexes.

“Dans ce contexte, la non-stabilisation est mieux considérée comme une ressource car elle est essentielle pour obtenir un avantage quantique. Plus un état quantique possède de non-stabilisation, plus il est puissant en tant que ressource pour le calcul quantique”, a expliqué Gu.

États pseudomagiques

Les chercheurs ont trouvé un moyen de contourner ce défi en introduisant le concept d’états quantiques pseudomagiques.

Les états quantiques pseudomagiques semblent avoir les propriétés des états non stabilisants (complexité et opérations non classiques), mais sont impossibles à distinguer informatiquement des états quantiques aléatoires, du moins pour un observateur disposant de ressources informatiques limitées.

En termes simples, cela signifie que les états quantiques pseudomagiques ressemblent à des états magiques mais sont beaucoup moins complexes à construire. Surtout pour quelqu'un qui possède un ordinateur pas si puissant, les états quantiques pseudomagiques sont impossibles à distinguer des états quantiques aléatoires.

“Cette indiscernabilité vient du fait que distinguer efficacement les états pseudo-magiques des états véritablement magiques nécessiterait une quantité exponentielle de ressources informatiques, ce qui rendrait cela impossible à tout observateur réaliste”, a déclaré le Dr Leone.

Gu a ajouté: “Tout comme les générateurs de nombres pseudo-aléatoires produisent des séquences qui semblent aléatoires aux observateurs classiques limités par le calcul, les états pseudomagiques sont conçus pour apparaître hautement non stabilisants aux observateurs quantiques limités par le calcul.”

Poser les fondations

Au cours de six théorèmes, les chercheurs ont posé les fondements théoriques des états pseudomagiques ainsi que leurs implications pour les applications de l’informatique quantique.

Ils ont construit les états pseudomagiques de manière à ce que l’écart entre leur non-stabilisation réelle et apparente soit réglable.

“Cela signifie que nous pouvons créer des états qui peuvent sembler être de puissantes ressources pour le calcul quantique, même s'ils ne nécessitent pas autant de ressources qu'il y paraît”, a expliqué le Dr Leone.

Le cœur de ce cadre tournait autour du concept d’entropie stabilisatrice. Il s'agit d'une mesure du caractère non stabilisant (ou de la complexité) d'un système quantique.

Ce qui est unique à propos de l’entropie du stabilisateur, c’est que, contrairement à d’autres mesures de non-stabilisation, elle est moins gourmande en calcul.

Implications pour les applications d'informatique quantique

Les chercheurs se sont concentrés sur trois domaines dans lesquels les états pseudomagiques pourraient avoir des implications, à commencer par la cryptographie quantique.

Selon l’étude, les états pseudomagiques introduisent un nouveau protocole de cryptographie quantique basé sur des paires EFI (ou efficacement préparables, statistiquement éloignées, mais indiscernables sur le plan informatique).

Ces paires peuvent améliorer la sécurité de la communication des données et peuvent être construites à l'aide d'états pseudomagiques.

Les chercheurs montrent également que les états pseudomagiques peuvent fournir de nouvelles informations sur le chaos et le brouillage quantiques, qui sont importants pour comprendre le comportement des systèmes quantiques complexes et la diffusion de l’information quantique.

“En démontrant que la magie apparente d'un état quantique peut différer de sa magie réelle, nos travaux mettent en évidence la nécessité de prendre en compte les limites d'observateurs réalistes et limités en termes de calcul lors de l'étude des systèmes quantiques et de leurs applications”, a expliqué Gu.

Enfin, ils démontrent également que les états pseudomagiques peuvent être utilisés pour construire des ordinateurs quantiques tolérants aux pannes plus efficaces en utilisant un processus appelé distillation d’état magique.

La distillation des états magiques est essentiellement un processus de purification qui améliore la fidélité des états magiques, les rendant plus adaptés à une utilisation dans les algorithmes quantiques et les systèmes de correction d'erreurs.

Les chercheurs souhaitent explorer à l’avenir la relation entre les états pseudomagiques et les concepts de la théorie de l’information quantique. De plus, ils souhaitent explorer la réalisation expérimentale d’états pseudomagiques avec des dispositifs quantiques existants et à court terme.

“Cela pourrait conduire au développement d'applications pratiques exploitant les propriétés uniques de ces états”, a conclu le Dr Leone.

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