Une nouvelle approche du transfert d’informations atteint la limite de vitesse quantique


Une nouvelle approche du transfert d'informations atteint la limite de vitesse quantique

Dans un nouveau protocole , des groupes de qubits intriqués quantiques (points rouges) recrutent plus de qubits (points bleus) à chaque étape afin de déplacer rapidement les informations d’un à un autre. Étant donné que plus de qubits sont impliqués à chaque étape, le protocole crée un effet boule de neige qui la vitesse de transfert d’informations théoriquement maximale autorisée. Crédit photo : Minh Tran / JQI

Alors que les ordinateurs quantiques sont une jeune et pas encore prête pour une utilisation pratique de routine, les chercheurs ont déjà exploré les contraintes théoriques qui limiteront les technologies quantiques. Les chercheurs ont découvert qu’il y a des limites à la vitesse à laquelle l’information quantique peut parcourir n’importe quel appareil quantique.

Ces limites de vitesse sont appelées limites de Lieb-Robinson, et depuis quelques années, certaines des limites ont été ridiculisées par les chercheurs. Pour certaines tâches, il y avait un écart entre les meilleures vitesses théoriquement autorisées et les vitesses possibles avec les meilleurs algorithmes développés. C’est comme si aucun constructeur automobile ne pouvait comprendre comment construire un modèle qui atteint la frontière de l’autoroute locale.

Mais contrairement aux limitations de vitesse sur route, les informations sur les limitations de vitesse ne peuvent pas être ignorées lorsque vous êtes pressé – c’est le résultat inévitable des lois fondamentales de la physique. Pour chaque tâche quantique, il y a une limite à la rapidité avec laquelle les interactions exercent leur influence (et donc transfèrent des informations) sur une certaine distance. Les règles sous-jacentes définissent les meilleures performances possibles. De cette façon, les limites de vitesse d’information ressemblent plus au score maximum dans un jeu d’arcade à l’ancienne qu’aux règles de circulation, et atteindre le score ultime est un prix tentant pour les scientifiques.

Maintenant, une équipe de recherche dirigée par Alexey Gorshkov, membre du JQI, a trouvé un protocole quantique qui atteint les limites de vitesse théoriques pour certaines tâches quantiques. Leur résultat fournit de nouvelles informations sur la conception d’algorithmes quantiques optimaux et prouve qu’il n’y avait pas de limites inférieures non découvertes qui ont entravé les tentatives de développement de meilleures conceptions. Gorshkov, qui est également membre du Joint Center for Quantum Information and Computer Science (QuICS) et physicien au National Institute of Standards and Technology, et ses collègues ont présenté leur nouveau protocole dans un article récent publié dans la revue Vérification physique X.

« Cet écart entre les vitesses de pointe et les vitesses réalisables nous a ennuyés car nous ne savions pas si la ligne était lâche ou si nous n’étions pas assez intelligents pour améliorer le protocole », explique Minh Tran, un doctorant JQI et QuICS qui est le chef de file. l’auteur de l’article était. « Nous ne nous attendions pas vraiment à ce que cette proposition soit si puissante. Et nous avons beaucoup essayé d’améliorer la limite – il s’est avéré que ce n’était pas possible. Nous attendons donc ce résultat avec impatience. »

Sans surprise, la limite de vitesse théorique pour l’envoi d’informations dans un appareil quantique (comme un ordinateur quantique) dépend de la structure sous-jacente de l’appareil. Le nouveau protocole a été développé pour les appareils quantiques dans lesquels les blocs de construction de base – les qubits – s’influencent les uns les autres, même s’ils ne sont pas directement côte à côte. En particulier, l’équipe a conçu le protocole pour les qubits, dont les interactions s’affaiblissent avec l’augmentation de la distance. Le nouveau protocole fonctionne pour une gamme d’interactions qui ne s’affaiblissent pas trop rapidement et couvre les interactions dans de nombreux blocs de construction pratiques de la technologie quantique, y compris les centres de lacunes d’azote, les atomes de Rydberg, les molécules polaires et les ions piégés.

Surtout, le protocole peut transmettre des informations contenues dans un état quantique inconnu à un qubit distant, une caractéristique essentielle pour obtenir de nombreux avantages promis par les ordinateurs quantiques. Cela limite les moyens par lesquels les informations peuvent être transférées et exclut certaines approches directes comme la simple création d’une copie des informations dans le nouvel emplacement. (Pour ce faire, vous devez connaître l’état quantique que vous transmettez.)

Dans le nouveau protocole, les données stockées dans un qubit sont partagées avec ses voisins à l’aide d’un phénomène appelé intrication quantique. Étant donné que tous ces qubits aident à transmettre l’information, ils travaillent ensemble pour la transmettre à d’autres groupes de qubit. Comme plus de qubits sont impliqués, ils transmettent les informations encore plus rapidement.

Ce processus peut être répété pour générer des blocs de qubit de plus en plus gros qui transmettent les informations de plus en plus rapidement. Plutôt que la méthode simple des qubits relayant les informations un par un comme une équipe de basket-ball passant le ballon à travers le terrain, les qubits ressemblent davantage à des flocons de neige qui se combinent à chaque étape pour former une boule de neige plus grande et plus rapide. Et plus la boule de neige est grosse, plus les flocons collent à chaque virage.

Mais c’est là que s’arrêtent les similitudes avec les boules de neige. Contrairement à une véritable boule de neige, la collection quantique peut aussi se déployer. Les informations resteront sur le qubit supprimé si le processus est inversé et que tous les autres qubits reviennent à leur état d’origine.

Lorsque les chercheurs ont analysé le processus, ils ont découvert que les qubits boule de neige courent le long de l’information aux limites théoriques autorisées par la physique. Puisque le protocole atteint la limite précédemment prouvée, aucun futur protocole ne devrait pouvoir la dépasser.

« Le nouvel aspect est la façon dont nous entrelaçons deux blocs de qubits », explique Tran. « Auparavant, il existait un protocole qui enchevêtrait les informations dans un bloc, puis essayait de fusionner les qubits du deuxième bloc les uns après les autres. Mais maintenant, parce que nous enchevêtrons également les qubits dans le deuxième bloc avant de les fusionner dans le premier bloc, l’amélioration sera plus importante. »

Le journal est le résultat d’une enquête sur la possibilité de déplacer des informations stockées sur plusieurs qubits en même temps. Ils ont réalisé que l’utilisation de blocs qubit pour déplacer des informations augmenterait la vitesse d’un journal.

« Sur le plan pratique, le protocole nous permet non seulement de diffuser des informations, mais aussi d’enchevêtrer les particules plus rapidement », explique Tran. « Et nous savons qu’avec des particules intriquées, vous pouvez faire beaucoup de choses intéressantes comme mesurer et enregistrer avec une plus grande précision. Et déplacer l’information rapidement signifie également que l’information peut être traitée plus rapidement. Au moins en ce qui concerne les limites de base, nous savons ce qui est possible et ce qui ne l’est pas. « 

En plus des connaissances théoriques et des applications technologiques possibles, les résultats mathématiques de l’équipe fournissent également de nouvelles informations sur la taille d’un calcul quantique afin de simuler des particules avec des interactions telles que celles des qubits dans le nouveau protocole. Les chercheurs espèrent explorer les limites d’autres types d’interactions et examiner d’autres aspects du protocole, tels que : B. à quel il est résistant au bruit qui perturbe le processus.


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Plus d’information:
Minh C. Tran et al., Optimal State Transfer and Enanglement Generation in Power-Law Interacting Systems, Vérification physique X (2021). DOI : 10.1103 / PhysRevX.11.031016

Fourni par le Joint Quantum Institute

citation: Une nouvelle approche du transfert d’informations atteint la limite de vitesse quantique (2021, 5 août), consulté le 5 août 2021 à partir de https://phys.org/news/2021-08-approach-quantum-limit.html

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