Une équipe de chercheuses et chercheurs de l’Institut Nexus de technologies quantiques (NexQT) de l’Université d’Ottawa, menée par Francesco Di Colandrea (Ph.D.) sous la direction d’Ebrahim Karimi, professeur agrégé de physique, a mis au point une méthode novatrice pour mesurer la performance des circuits quantiques. Cette avancée importante, récemment publiée dans la prestigieuse revue npj Quantum Information, est un grand bond en avant dans le domaine de l’informatique quantique.
Étant donné l’évolution fulgurante du milieu des technologies quantiques, il est impératif de voir à la fonctionnalité et à la fiabilité des dispositifs quantiques. En effet, il est essentiel de pouvoir faire preuve d’une haute précision et de rapidité dans la caractérisation de ces dispositifs pour les intégrer efficacement aux circuits et ordinateurs quantiques, autant dans la recherche fondamentale que dans les applications pratiques.
La caractérisation aide à déterminer si un dispositif fonctionne comme prévu, une étape nécessaire lorsque les dispositifs présentent des anomalies ou des erreurs. Le progrès des technologies quantiques passe par l’identification et la correction de ces problèmes.
En règle générale, les scientifiques se fiaient à la tomographie de processus quantiques (QPT), une méthode qui demande une grande quantité de « mesures projectives », pour reconstruire pleinement les opérations d’un dispositif. Toutefois, le nombre de mesures requises pour la QPT augmente de manière quadratique selon la dimensionnalité des opérations, ce qui pose d’importants défis computationnels et expérimentaux, surtout pour le traitement d’information quantique à haute dimension.
L’équipe de recherche de l’Université d’Ottawa a inventé une technique optimisée : la tomographie de processus quantiques de Fourier (FQPT). Permettant de faire la caractérisation complète des opérations quantiques, cette méthode nécessite un minimum de mesures. Au lieu d’effectuer un grand nombre de mesures projectives, la FQPT emploie la transformée de Fourier, une carte bien connue, pour prendre une partie des mesures dans deux espaces mathématiques différents. Comme la relation physique entre ces espaces bonifie l’information extraite de chaque mesure, elle réduit le nombre de mesures nécessaires. Par exemple, pour les processus aux dimensions 2d (où la valeur « d » peut être arbitrairement élevée), seulement sept mesures sont nécessaires.
Pour valider la technique, l’équipe a mené une expérience photonique de polarisation optique pour coder un bit quantique. Le processus quantique, une transformation complexe de polarisation dépendant de l’espace, s’est déroulé grâce à une technologie à cristaux liquides de pointe. L’expérience a prouvé la flexibilité et la robustesse de la méthode.
« La validation expérimentale est une étape fondamentale pour évaluer la résistance de la technique au bruit, et ainsi assurer l’efficacité et la haute fidélité des reconstructions en contexte d’expérimentation réelle », affirme Francesco Di Colandrea, chercheur boursier de niveau postdoctoral à l’Université d’Ottawa.
Cette technique novatrice représente une percée remarquable en informatique quantique. L’équipe travaille déjà activement à l’application de la FQPT aux opérations quantiques arbitraires, notamment à des utilisations non hermitiennes et à plus haute dimension, et à l’intégration de techniques d’IA pour affiner la précision et réduire les mesures. Voilà une nouvelle technique qui s’avère prometteuse pour l’avancement des technologies quantiques.
L’étude, « Fourier quantum process tomography », de F. Di Colandrea, N. Dehghan, A. D’Errico et E. Karimi, a été publiée dans la revue npj Quantum Information le 9 mai 2024.
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