5 percées réalisées grâce aux technologies quantiques

Les ordi­na­teurs quan­tiques uti­lisent des bits quan­tiques (qubits). Ces bits sont dif­fé­rents des bits infor­ma­tiques stan­dards, qui peuvent être soit 0 soit 1, car ils peuvent être à la fois 0 et 1. Ces machines pour­raient être beau­coup plus rapides que les ordi­na­teurs les plus rapides qui existent aujourd’hui, car elles seraient capables de cal­cu­ler avec de nom­breux qubits, ce qui entraî­ne­rait une aug­men­ta­tion expo­nen­tielle de la puis­sance de cal­cul. Les qubits peuvent être fabri­qués à par­tir de dif­fé­rents maté­riaux, tels que les supra­con­duc­teurs ou les ions. Par­mi les autres méthodes à venir figurent les pro­ces­seurs quan­tiques pho­to­niques, qui uti­lisent la lumière.

Un véri­table ordi­na­teur quan­tique néces­si­te­ra l’in­té­gra­tion de nom­breux qubits dans un seul dis­po­si­tif, ce qui ne sera pas tâche facile, car ils sont très déli­cats et l’in­for­ma­tion quan­tique qu’ils contiennent peut faci­le­ment être détruite, ce qui entraîne des erreurs dans les cal­culs quantiques.

Pour cor­ri­ger ces erreurs, un sys­tème de cor­rec­tion des erreurs quan­tiques (QEC) sera indis­pen­sable. Il s’a­git géné­ra­le­ment d’en­co­der un bit d’in­for­ma­tion quan­tique sur un ensemble de qubits qui agissent ensemble comme un seul « qubit logique ». L’une de ces tech­niques est le code de sur­face, dans lequel un bit d’in­for­ma­tion quan­tique est codé sur un réseau de qubits. Cette approche pose tou­te­fois un pro­blème, car l’a­jout de qubits sup­plé­men­taires au sys­tème ajoute à son tour des sources d’er­reur supplémentaires.

Une vraie infor­ma­tique quan­tique à grande échelle requer­ra un taux d’er­reur d’en­vi­ron un sur un mil­lion selon les phy­si­ciens, mais les meilleures tech­no­lo­gies de cor­rec­tion d’er­reur actuelles ne peuvent atteindre que des taux d’en­vi­ron un sur mille. Il reste donc un long che­min à parcourir.

Des cher­cheurs de Google Quan­tum AI ont récem­ment créé un sché­ma de code de sur­face qui devrait s’a­dap­ter au taux d’er­reur requis dans un pro­ces­seur quan­tique com­po­sé de qubits supra­con­duc­teurs consti­tuants, soit des qubits de don­nées (pour l’ex­ploi­ta­tion), soit des qubits de mesure. Ces der­niers sont adja­cents aux qubits de don­nées et peuvent mesu­rer un retour­ne­ment de bits ou de phases. Ce sont deux types d’er­reurs qui affectent les qubits.

Le suc­cès de ce pro­cé­dé est une étape impor­tante pour les infra­struc­tures de la tech­no­lo­gie quantique 

Les cher­cheurs ont consta­té qu’un « réseau de qubits de distance‑5 » com­pre­nant un total de 49 qubits phy­siques avait un taux d’er­reur de 2,914 %, contre 3,028 % pour un « réseau de distance‑3 » com­pre­nant 17 qubits. Cette réduc­tion montre que l’aug­men­ta­tion du nombre de qubits est une voie viable vers « l’in­for­ma­tique quan­tique tolé­rante aux pannes » et qu’un taux d’er­reur supé­rieur à un sur un mil­lion pour­rait être pos­sible dans un réseau de qubits de dis­tance-17 com­pre­nant 577 qubits.

Les pla­te­formes actuel­le­ment déve­lop­pées pour les ordi­na­teurs quan­tiques sont basées sur dif­fé­rents sys­tèmes quan­tiques tels que les pho­tons (les par­ti­cules de lumière), les atomes, les ions, les supra­con­duc­teurs et les semi-conduc­teurs. Dans les futurs réseaux quan­tiques, ces sys­tèmes devront com­mu­ni­quer entre eux mais, comme ils reposent sur dif­fé­rents types de codage, cela pour­rait s’a­vé­rer difficile.

Des cher­cheurs du Labo­ra­toire Kast­ler Bros­sel (LKB), en France, ont créé un conver­tis­seur qui per­met à des dis­po­si­tifs quan­tiques basés sur dif­fé­rents sys­tèmes de com­mu­ni­quer. « Nous avons conçu une sorte de boîte noire qui per­met de pas­ser d’un enco­dage d’in­for­ma­tion quan­tique à un autre grâce au phé­no­mène d’intrication », explique le phy­si­cien Julian Lau­rat, l’un des membres de l’é­quipe du LKB. L’in­tri­ca­tion, qui a fait l’ob­jet du prix Nobel de phy­sique 2022, est un phé­no­mène pure­ment quan­tique, par lequel deux ou plu­sieurs par­ti­cules peuvent avoir une rela­tion plus étroite que celle per­mise par la phy­sique clas­sique. Cela signi­fie que si nous déter­mi­nons l’é­tat quan­tique de l’une des par­ti­cules, nous pou­vons ins­tan­ta­né­ment déter­mi­ner l’é­tat quan­tique de l’autre, quelle que soit la dis­tance qui les sépare. Autre­fois consi­dé­rée comme une bizar­re­rie du monde quan­tique, cette « action étrange à dis­tance », comme l’ap­pe­lait Albert Ein­stein, est aujourd’­hui exploi­tée dans les sys­tèmes de cryp­to­gra­phie et de com­mu­ni­ca­tion quan­tiques, ain­si que dans les cap­teurs uti­li­sés pour détec­ter les ondes gra­vi­ta­tion­nelles (une défor­ma­tion du tis­su de l’espace-temps qui se pro­page à la vitesse de la lumière).

Grâce à l’in­tri­ca­tion, les cher­cheurs du LKB ont pu pré­ser­ver le signal d’in­for­ma­tion des codes quan­tiques, qui est fra­gile, tout en chan­geant la base sur laquelle il est écrit.

« Le suc­cès de ce pro­cé­dé est une étape impor­tante pour les infra­struc­tures de la tech­no­lo­gie quan­tique », sou­ligne Beate Asen­beck, doc­to­rante au LKB. « Une fois que nous pour­rons inter­con­nec­ter des dis­po­si­tifs quan­tiques, des réseaux plus com­plexes et plus effi­caces pour­ront être construits. »

Les cher­cheurs ont dépo­sé un bre­vet pour pro­té­ger leur tech­no­lo­gie qui est désor­mais exploi­tée par Welinq, une start-up fon­dée par Julien Lau­rat et son col­lègue Tom Darras.

Les inter­fé­ro­mètres optiques à haute réso­lu­tion et à « longue base » révo­lu­tion­ne­raient l’i­ma­ge­rie astro­no­mique : la lumière pro­ve­nant de deux ou plu­sieurs téles­copes, pla­cés à une cer­taine dis­tance les uns des autres, est com­bi­née pour créer une image d’un objet céleste, telle qu’une étoile. Les images ain­si obte­nues sont beau­coup plus fines que celles obte­nues avec chaque téles­cope indi­vi­duel. De cette manière, les téles­copes mul­tiples agissent comme un gigan­tesque téles­cope « vir­tuel » dont le dia­mètre est beau­coup plus grand que celui de n’im­porte quel téles­cope réel.

En théo­rie, plus les téles­copes sont éloi­gnés les uns des autres, plus la réso­lu­tion de l’i­mage est éle­vée. Dans la pra­tique, cepen­dant, le bruit envi­ron­nant et les pertes de lumière entre les deux ins­tru­ments dégradent la qua­li­té des signaux lumi­neux, ce qui limite la dis­tance pos­sible entre eux.

Les tech­no­lo­gies quan­tiques peuvent aider à contour­ner ces « pertes de trans­mis­sion de la lumière » en uti­li­sant les mémoires quan­tiques et l’in­tri­ca­tion pour rem­pla­cer les liai­sons optiques directes entre les téles­copes, ce qui per­met d’aug­men­ter les dis­tances entre eux. Dans l’ap­proche la plus directe, le signal pour­rait être sto­cké dans des états ato­miques ou qubits. Un pro­blème demeure cepen­dant : ces états sont fra­giles et peuvent être faci­le­ment détruits.

Des cher­cheurs de l’u­ni­ver­si­té Mac­qua­rie en Aus­tra­lie et de l’u­ni­ver­si­té natio­nale de Sin­ga­pour (NUS) ont main­te­nant trou­vé un moyen de pro­té­ger l’in­for­ma­tion quan­tique conte­nue dans la lumière venant d’un objet céleste.

Dans leur nou­velle tech­nique, les cher­cheurs mani­pulent l’é­tat de la lumière d’une étoile pro­ve­nant des deux téles­copes de manière à ce qu’elle soit sous une forme qui est pro­té­gée des bruits de l’en­vi­ron­ne­ment. En effec­tuant ensuite des mesures spé­ci­fiques, toute erreur dans les qubits peut être détec­tée et cor­ri­gée par les codes QEC avant de récu­pé­rer l’information conte­nue dans la lumière de l’é­toile. Cette infor­ma­tion est ensuite uti­li­sée pour construire l’i­mage de l’étoile.

La cryp­to­gra­phie moderne repose sur la pro­duc­tion de nombres aléa­toires qui sont ensuite uti­li­sés comme clés pour cryp­ter les énormes quan­ti­tés de don­nées pro­duites par les gou­ver­ne­ments et les grandes entre­prises, par exemple. Bien que des algo­rithmes soient cou­ram­ment uti­li­sés pour géné­rer des nombres appa­rem­ment aléa­toires, un pirate infor­ma­tique pour­rait, en prin­cipe, décou­vrir les étapes pré­dé­ter­mi­nées d’un algo­rithme et ain­si pré­dire son résultat.

Un meilleur sys­tème serait plu­tôt basé sur un pro­ces­sus véri­ta­ble­ment aléa­toire, comme la nature pro­ba­bi­liste des phé­no­mènes qui se pro­duisent au niveau quantique.

Le vide de l’es­pace n’est pas vrai­ment un vide, mais regorge de fluc­tua­tions quan­tiques aléa­toires dues à des paires de par­ti­cules et d’an­ti­par­ti­cules qui sont spon­ta­né­ment créées puis anni­hi­lées lors­qu’elles entrent en col­li­sion les unes avec les autres. Ces pro­ces­sus se pro­duisent sur des échelles de temps extrê­me­ment courtes et peuvent être uti­li­sés pour pro­duire des nombres aléa­toires. Le pro­blème est que ces sys­tèmes sont sou­mis à des bruits para­sites pro­ve­nant de leurs propres com­po­sants, ce qui ralen­tit le processus.

Pour résoudre ce pro­blème, des cher­cheurs de l’u­ni­ver­si­té de Gand, en Bel­gique, ont fabri­qué une puce infor­ma­tique (mesu­rant à peine 5 mm de long) et ont ensuite car­to­gra­phié toutes les imper­fec­tions dans cette puce ain­si que les sources de bruit qui s’y trouvent. Cela leur a per­mis de mesu­rer les fluc­tua­tions quan­tiques avec beau­coup plus de sen­si­bi­li­té. Le résul­tat : une puce capable de géné­rer des nombres aléa­toires 200 fois plus vite que les dis­po­si­tifs com­mer­ciaux existants.

Des cher­cheurs d’IBM ont mon­tré qu’il était pos­sible d’ob­te­nir un avan­tage (ou « supré­ma­tie » ) quan­tique sans avoir recours à la cor­rec­tion d’er­reurs. Pour ce faire, ils ont uti­li­sé un pro­ces­seur quan­tique de 127 qubits pour cal­cu­ler l’ai­man­ta­tion d’un maté­riau avec un modèle Ising 2D. Ce modèle repré­sente les pro­prié­tés magné­tiques d’un maté­riau 2D en uti­li­sant un réseau de spins (ou moments magné­tiques) quan­tiques qui inter­agissent avec leurs voi­sins les plus proches. Bien qu’ap­pa­rem­ment simple, ce modèle est connu pour être extrê­me­ment dif­fi­cile à résoudre.

Les cher­cheurs ont uti­li­sé une tech­nique appe­lée « cal­cul quan­tique d’échelle inter­mé­diaire brui­té » (NISQ com­pu­ta­tion en anglais), dans laquelle le cal­cul est effec­tué rapi­de­ment pour évi­ter l’ac­cu­mu­la­tion d’er­reurs. Ce type de cal­cul per­met­tra d’é­la­bo­rer des algo­rithmes quan­tiques plus géné­raux à court terme, avant que des ordi­na­teurs quan­tiques véri­ta­ble­ment tolé­rants aux pannes ne soient disponibles.

Le cal­cul a été effec­tué à l’aide d’une puce quan­tique supra­con­duc­trice com­pre­nant 127 qubits exé­cu­tant des cir­cuits quan­tiques d’une pro­fon­deur de 60 couches avec un total d’en­vi­ron 2 800 portes à deux qubits. Ces portes sont des ana­logues quan­tiques des portes logiques conventionnelles.

Le cir­cuit quan­tique génère des états quan­tiques hau­te­ment intri­qués que les cher­cheurs ont ensuite uti­li­sés pour pro­gram­mer le modèle Ising 2D en effec­tuant une séquence d’o­pé­ra­tions sur les qubits et les paires de qubits. Bien que cette méthode soit effi­cace, des erreurs sub­sis­taient. Les cher­cheurs ont donc appli­qué un pro­ces­sus d’at­té­nua­tion des erreurs quan­tiques à l’aide d’un logi­ciel infor­ma­tique conventionnel.

La tech­nique fonc­tionne grâce à la capa­ci­té du pro­ces­seur de 127 qubits à enco­der un grand nombre de confi­gu­ra­tions du modèle d’I­sing. Les ordi­na­teurs conven­tion­nels ne dis­po­se­raient pas d’une mémoire suf­fi­sante pour réa­li­ser un tel exploit.

Isabelle Dumé

Réfé­rences :

Sup­pres­sing quan­tum errors by sca­ling a sur­face code logi­cal qubit. Nature 614, 676–681

 A quan­tum-bit enco­ding conver­ter. Nature Pho­to­nics 17 165–170

Archive ouverte arXiv

Ima­ging Stars with Quan­tum Error Cor­rec­tion. Phys. Rev. Lett. 129, 210502

100-Gbit/s Inte­gra­ted Quan­tum Ran­dom Num­ber Gene­ra­tor Based on Vacuum Fluc­tua­tions. PRX Quan­tum 4, 010330

Evi­dence for the uti­li­ty of quan­tum com­pu­ting before fault tole­rance Nature 618 500–505