Recherche binaire de fréquence : des qubits calibrés en temps réel sur FPGA
Des chercheurs de l'Institut Niels Bohr, du MIT, de la NTNU et de l'Université de Leiden dévoilent un algorithme en temps réel qui atténue activement le bruit des qubits et améliore la fiabilité des ordinateurs quantiques. Publiée dans PRX Quantum, la technique — appelée « Recherche Binaire de Fréquence » — atteint une précision exponentielle avec moins de dix mesures, transformant la calibration et la stabilité des dispositifs.
Le défi du bruit quantique
Le bruit environnemental fait dériver la fréquence des qubits et provoque une perte d'information quantique. Les méthodes classiques nécessitent des milliers de mesures et souffrent d'un décalage temporel critique entre la lecture de l'état quantique et l'ajustement des paramètres de contrôle, rendant la correction souvent déjà obsolète au moment où elle est appliquée.
« Le temps que met la lecture de l’état quantique pour parvenir jusqu’à votre ordinateur de bureau est si long que le bruit a déjà changé lorsque vous recevez la mesure. Vous êtes toujours en retard – par défaut. » — Dr Fabrizio Berritta
Une approche en temps réel : la Recherche Binaire de Fréquence
L'algorithme met en œuvre une recherche dichotomique sur la fréquence correcte du qubit : à chaque mesure, l'espace de probabilité est divisé par deux, ce qui resserre rapidement l'intervalle plausible. Avec moins de dix mesures, la calibration atteint une précision exponentielle, réduisant drastiquement le coût expérimental.
Clé de l'innovation : l'exécution locale directement dans le matériel de contrôle quantique via un FPGA, qui réalise un « enregistrement en temps réel » des données expérimentales et des fluctuations de fréquence, puis ajuste immédiatement les impulsions micro-ondes de contrôle.
Implémentation sur FPGA : supprimer la latence critique
En évitant l'aller-retour vers un ordinateur externe, le FPGA élimine le goulot d'étranglement de latence. Les contrôleurs quantiques modernes permettent de programmer les FPGA avec des langages proches de Python, rendant la solution accessible aux laboratoires sans expertise matérielle approfondie.
Points clés
- Estimation continue de la fréquence des qubits et correction instantanée
- Exécution embarquée sur FPGA intégrée au matériel de contrôle
- Précision exponentielle atteinte en moins de 10 mesures
Validation expérimentale et résultats
Au MIT, des qubits supraconducteurs sensibles aux variations de flux magnétique ont servi de banc d'essai. L'algorithme, en divisant l'espace de probabilité à chaque acquisition, réduit systématiquement l'incertitude sur la fréquence correcte, stabilisant les opérations malgré un environnement bruyant.
Scalabilité : vers des processeurs à grande échelle
Alors que les architectures évoluent de centaines vers des millions de qubits, les calibrations traditionnelles deviennent impraticables. La recherche binaire de fréquence rend possible la calibration simultanée de plusieurs qubits avec des gains de précision exponentiels, répondant à un enjeu clé de l'industrialisation des systèmes quantiques.