A research paper published in 2012 by Matteo Mariantoni, faculty member at the Institute for Quantum Computing and in the University of Waterloo Department of Physics and Astronomy, appeared on the Physical Review A 50th Anniversary Milestones list.
The prestigious journal is celebrating its fiftieth anniversary with a list of papers that have made important contributions to the various areas of physics under its purview.
The article, Surface codes: Towards practical large-scale quantum computation, explained a new, more accessible approach to quantum error correction to the quantum information community and provided an early estimate of the infrastructure requirements for a practical quantum computer based on this approach.
The article went on to be cited more than a thousand times.
“When we wrote the article, I never expected it to be so impactful,” said Mariantoni. “It became a reference guide on quantum error correction and the difficulty of building a practical quantum computer for the quantum information community.”
The paper was also the beginning of the spread of quantum computing research from the lab to industry. “It served as a catalyst for many companies like Google and IBM to invest in quantum computing in a big way because there was this new positive thing to work on,” said Mariantoni.
Ironically, this paper that has impacted so many researchers began as an internal report. The Martinis-Cleland research group, where Mariantoni was a postdoc, was trying to understand what appeared to be a very promising paper on quantum error correction published by mathematicians Raussendorf and Harrington in 2007. At the time, Raussendorf was working from the Perimeter Institute in Waterloo, Ontario.
The team spent about nine months interpreting the article and translating its complicated mathematical language into something practical for experimental physicists. When they began to present their work at various events and saw the enthusiasm of their audiences, they knew they had something worth submitting for publication.
The rest is history.
While Mariantoni was at the University of California, Santa Barbara at the time of the publication, the work has influenced his research path ever since. “This article helped me realize what I should focus on for the past decade,” said Mariantoni.
The paper’s two key insights provided a bittersweet revelation for researchers looking to build the first practical quantum computer.
On the one hand, they now had a more accessible approach to quantum error correction that would allow them to begin working right away with hardware they already had. On the other hand, they now saw this approach would need an unfathomable number of qubits—at least half a billion—to result in a practical error-corrected quantum computer.
For Mariantoni, this dual revelation suggested a research path; maybe the hardware itself can be improved enough to reduce the number and intractability of quantum errors so that quantum error correction and useful computation will be possible with a more practical number of qubits.
Now, Mariantoni and his team are working on a completely new approach to “outsmart” errors using phononic band-gap engineering.
“We are trying to combine many techniques which we know about superconducting devices to make them better, not even to remove these errors, but to make them better errors,” said Mariantoni.
Quantum errors still stand as a looming obstacle to practical quantum computing, but this seminal work on the surface code approach to quantum error correction shows what was possible and what is currently beyond reach, serving as a guidepost for thousands of researchers in the decade since.
Un article fondamental sur la correction d’erreurs quantiques fait partie de la liste des articles marquants de Physical Review A
Un article de recherche publié en 2012 par Matteo Mariantoni, professeur à l’Institut d’informatique quantique (IQC) ainsi qu’au Département de physique et d’astronomie de l’Université de Waterloo, fait partie de la liste des articles marquants publiée pour le 50e anniversaire de Physical Review A.
Cette prestigieuse revue célèbre son 50e anniversaire en publiant une liste d’articles qui ont apporté une contribution importante aux domaines de la physique relevant de son champ d’action.
L’article intitulé Surface codes: Towards practical large-scale quantum computation (Codes de surface : vers l’informatique quantique pratique à grande échelle) présentait à la communauté de l’informatique quantique une méthode nouvelle et plus accessible de correction d’erreurs quantiques et fournissait une première estimation de l’infrastructure nécessaire pour fabriquer un ordinateur quantique pratique fondé sur cette méthode.
Cet article a été cité plus d’un millier de fois.
« Quand nous avons écrit cet article, dit M. Mariantoni, je ne pensais pas qu’il aurait un tel impact. Il est devenu pour la communauté de l’informatique quantique un guide de référence sur la correction d’erreurs quantiques et sur la difficulté de construire un ordinateur quantique pratique. » [traduction]
Cet article a également marqué le début du passage du laboratoire à l’industrie de la recherche en informatique quantique. « Il a amené de nombreuses entreprises telles que Google et IBM à investir massivement en informatique quantique, poursuit M. Mariantoni, parce qu’il y avait ce nouvel aspect positif sur lequel travailler. » [traduction]
Ironiquement, l’article qui a eu tant d’impact a d’abord été un rapport interne. L’équipe de recherche de John Martinis et Andrew Cleland, au sein de laquelle M. Mariantoni faisait un postdoctorat, essayait de comprendre ce qui semblait être un article très prometteur sur la correction d’erreurs quantiques publié par les mathématiciens Robert Raussendorf et Jim Harrington en 2007. À l’époque, M. Raussendorf travaillait à l’Institut Périmètre, à Waterloo, en Ontario.
L’équipe a passé quelque 9 mois à interpréter l’article et à traduire son langage mathématique complexe en quelque chose de concret pour des physiciens expérimentateurs. Quand elle a commencé à présenter ses travaux lors de diverses rencontres et qu’elle a vu l’enthousiasme des participants, elle a su qu’il valait la peine de soumettre ses travaux en vue de leur publication.
La suite fait partie de l’histoire.
Matteo Mariantoni était à l’Université de la Californie à Santa Barbara au moment de la publication de l’article, et ces travaux ont influencé depuis lors son parcours de chercheur. « Cet article, dit-il, m’a aidé à prendre conscience de ce sur quoi je devais me concentrer. » [traduction]
Les 2 principales idées de l’article avaient un goût doux-amer pour les scientifiques qui cherchaient à construire le premier ordinateur quantique pratique.
D’une part, ils découvraient une méthode plus accessible de correction des erreurs quantiques, qui leur permettait de commencer à travailler sans tarder avec le matériel qu’ils avaient déjà. D’autre part, ils constataient que cette méthode exigeait un nombre astronomique de qubits — au moins un demi-milliard — pour donner un ordinateur quantique pratique doté d’un mécanisme de correction des erreurs quantiques.
Cette double révélation a suggéré une avenue de recherche à M. Mariantoni : peut-être que le matériel lui-même pourrait être suffisamment amélioré pour réduire le nombre et le caractère insoluble d’erreurs quantiques, de sorte que des calculs utiles avec correction des erreurs quantiques seraient possibles avec un nombre plus raisonnable de qubits.
À l’heure actuelle, M. Mariantoni et son équipe travaillent sur une manière entièrement nouvelle de déjouer les erreurs à l’aide de matériaux à bandes interdites phononiques.
« Nous essayons, dit-il, de combiner plusieurs techniques que nous connaissons pour améliorer les dispositifs supraconducteurs. Il ne s’agit pas d’éliminer ces erreurs mais d’en faire de meilleures erreurs. » [traduction]
Les erreurs quantiques demeurent un obstacle latent à l’informatique quantique pratique. Mais ces travaux fondamentaux sur la correction des erreurs quantiques par la méthode des codes de surface ont montré ce qui était possible et ce qui demeurait hors de portée, guidant des milliers de chercheurs pendant une décennie.