Verre de spin quantique : quand le hasard révèle des structures cachées

Dans le monde fascinant de l’informatique quantique, une équipe de chercheurs de l’Université Cornell a fait une découverte surprenante en étudiant les algorithmes quantiques et les stratégies de correction d’erreurs. Ils ont mis en évidence un état quantique appelé « verre de spin quantique », qui pourrait avoir des implications majeures pour la protection de l’information dans les ordinateurs quantiques.

Le verre de spin quantique est un état dans lequel les bits quantiques (qubits) d’un ordinateur quantique présentent à la fois du désordre (prenant des valeurs apparemment aléatoires) et de la rigidité (lorsqu’un qubit bascule, tous les autres le font également). Cette découverte a été faite de manière inattendue lors d’un projet de recherche visant à en apprendre davantage sur les algorithmes quantiques et, par conséquent, sur de nouvelles stratégies de correction d’erreurs dans l’informatique quantique.

« Mesurer la position d’une particule quantique change son élan et vice versa. De même, pour les qubits, il existe des quantités qui se modifient mutuellement lorsqu’elles sont mesurées. Nous constatons que certaines séquences aléatoires de ces mesures incompatibles conduisent à la formation d’un verre de spin quantique », a déclaré Erich Mueller, professeur de physique au College of Arts and Sciences (A&S).

« Une implication de notre travail est que certains types d’informations sont automatiquement protégés dans les algorithmes quantiques qui partagent les caractéristiques de notre modèle. »

Les algorithmes aléatoires et la découverte du verre de spin quantique

Les chercheurs ont étudié les algorithmes aléatoires, qui intègrent un certain degré d’aléatoire dans l’algorithme, pour révéler des caractéristiques universelles des algorithmes quantiques. Ils ont découvert que certaines classes d’algorithmes conduisent à un ordre « verre de spin » caché.

Ils sont maintenant à la recherche d’autres formes d’ordre caché, ce qui pourrait les conduire à une nouvelle classification des états quantiques.

Correction d’erreurs et protection des qubits

Pour que l’informatique quantique fonctionne aujourd’hui et à l’avenir, il est nécessaire de trouver des moyens de protéger les qubits de la même manière que les bits des systèmes informatiques classiques.

La clé de la correction d’erreurs réside dans la redondance, comme l’explique Mueller : « Si j’envoie trois copies d’un bit, vous pouvez détecter s’il y a une erreur en comparant les bits entre eux. Nous empruntons le langage de la cryptographie pour parler de ces stratégies et nous référons à l’ensemble répété de bits comme un « mot de code ». »

En découvrant l’ordre du verre de spin, l’équipe de Mueller étudiait une généralisation où plusieurs mots de code sont utilisés pour représenter la même information. Par exemple, dans un code de sous-système, le bit « 1 » pourrait être stocké de 4 manières différentes : 111 ; 100 ; 101 ; et 001. La liberté supplémentaire offerte par les codes de sous-système quantique simplifie le processus de détection et de correction des erreurs.

En synthèse

La découverte inattendue du verre de spin quantique par les chercheurs de l’Université Cornell ouvre de nouvelles perspectives pour la protection de l’information dans les ordinateurs quantiques. En étudiant les algorithmes aléatoires, ils ont mis en évidence des structures non triviales et des ordres cachés qui pourraient être exploités pour améliorer la correction d’erreurs et la fiabilité des systèmes quantiques.

Pour une meilleure compréhension

Qu’est-ce que le verre de spin quantique ?

Le verre de spin quantique est un état quantique dans lequel les qubits d’un ordinateur quantique présentent à la fois du désordre et de la rigidité, ce qui pourrait avoir des implications pour la protection de l’information dans les ordinateurs quantiques.

Comment cette découverte a-t-elle été faite ?

Les chercheurs de l’Université Cornell ont étudié les algorithmes aléatoires pour révéler des caractéristiques universelles des algorithmes quantiques et ont découvert de manière inattendue l’ordre du verre de spin.

Quelle est l’importance de la correction d’erreurs dans l’informatique quantique ?

La correction d’erreurs est essentielle pour assurer la fiabilité et la précision des calculs quantiques, car les qubits sont sensibles aux perturbations de l’environnement qui peuvent corrompre l’information.

Comment la redondance aide-t-elle à la correction d’erreurs ?

La redondance permet de détecter et de corriger les erreurs en comparant les copies multiples d’un bit ou d’un qubit. Les codes de sous-système quantique offrent une liberté supplémentaire pour simplifier le processus de détection et de correction des erreurs.

Quelles sont les prochaines étapes pour les chercheurs ?

Les chercheurs continueront à étudier les algorithmes aléatoires et à rechercher d’autres formes d’ordre caché, ce qui pourrait les conduire à une nouvelle classification des états quantiques et à de meilleures stratégies de protection de l’information.

« Subsystem Symmetry, Spin-glass Order, and Criticality From Random Measurements in a Two-dimensional Bacon-Shor Circuit« , publié le 31 juillet dans Physical Review B. L’auteur principal est Vaibhav Sharma, doctorant en physique. DOI: 10.1103/PhysRevB.108.024205