Une nouvelle approche améliore de façon spectaculaire les puces quantiques
Pendant de nombreuses années, les qubits supraconducteurs ont eu une longueur d'avance. Aujourd'hui, une équipe de chercheurs affirme avoir dépassé les succès précédents en utilisant des puces quantiques à base d'atomes de rubidium.
Pour l'instant, les ordinateurs quantiques en sont encore au même stade qu'Albert Einstein peu après son entrée à l'école. Le potentiel est là, mais il n'est pas garanti que l'enfant devienne un jour un révolutionnaire dont les calculs marqueront le début d'une nouvelle ère pour la physique. En effet, les machines futuristes font encore beaucoup trop d'erreurs. Une équipe de chercheurs de l'université de Harvard, du Massachusetts Institute of Technology (MIT), du National Institute of Standards and Technology, de la start-up QuEra et de l'université du Maryland vient de présenter un processeur quantique de 280 qubits dans la revue "Nature", capable de détecter et de corriger les erreurs. Pour cela, ils ont testé différentes méthodes de correction d'erreurs et ont exécuté des algorithmes quantiques complexes à erreurs corrigées sur 48 qubits logiques. Ce travail constitue donc une avancée importante vers la création d'un ordinateur quantique universel.
Les qubits sont les unités de calcul d'un ordinateur quantique et l'équivalent des bits classiques en termes de mécanique quantique. Un qubit logique, qui effectue les opérations de calcul réelles, est composé de plusieurs qubits physiques. Ces derniers sont nécessaires pour corriger les erreurs qui surviennent lors des calculs de la mécanique quantique. Dernièrement, ce sont deux groupes technologiques américains, Google et IBM, qui ont donné le tempo du développement de processeurs quantiques de plus en plus grands. Ainsi, IBM n'a présenté que le 4 décembre 2023 une nouvelle puce appelée "Condor" avec 1121 qubits physiques. Le simple nombre de qubits intégrés n'est toutefois pas déterminant. De nombreuses équipes se concentrent donc sur l'exploration de nouvelles approches et sur l'augmentation du nombre de qubits logiques entrelacés.
Alors que Google et IBM utilisent de minuscules circuits supraconducteurs comme qubits, dans lesquels les charges électriques oscillent tantôt dans un sens, tantôt dans l'autre, l'équipe de Dolev Bluvstein, premier auteur de la nouvelle étude de "Nature", mise sur des états excités dans des atomes de rubidium. Pour ce faire, les électrons externes sont amenés à des niveaux d'énergie très élevés (appelés états de Rydberg) loin du noyau de l'atome à l'aide d'une lumière laser - mais ils ne sont pas détachés comme dans le cas des ions, les atomes restent donc non chargés. Pour pouvoir les utiliser dans les calculs quantiques, les chercheurs doivent maintenir les atomes excités avec d'autres lasers, comme s'il s'agissait de pincettes. De cette façon, ils peuvent également être déplacés à volonté dans un arrangement bidimensionnel. Le positionnement respectif des qubits permet de programmer la machine. L'avantage est que, contrairement aux qubits supraconducteurs, les puces quantiques n'ont pas besoin d'être refroidies à l'hélium à quelques millikelvins, mais peuvent fonctionner à température ambiante. De plus, tous les atomes sont identiques et ne sont pas affectés par d'éventuelles inexactitudes de fabrication. En Allemagne , plusieurs groupes de recherche travaillent également sur une telle architecture d'ordinateur quantique.
Les spécialistes s'attendent à ce que ces machines soient un jour capables d'effectuer des tâches pour lesquelles les ordinateurs classiques échouent. Elles pourraient ainsi aider à la recherche sur les matériaux, au développement de nouveaux médicaments ou à la résolution de problèmes complexes dans le domaine de la banque et de l'assurance, par exemple. Cependant, les qubits sont très sensibles aux influences extérieures et changent souvent d'état involontairement pendant le calcul. Ils produisent ainsi régulièrement des résultats erronés. C'est le rôle des techniques de correction d'erreurs de détecter et de corriger ces erreurs sans détruire le fragile état quantique. Sans ces techniques, les ordinateurs quantiques ne peuvent pas réaliser le potentiel qui leur est attribué.
L'information quantique ne peut pas être simplement copiée
Le défi particulier, à la différence des mécanismes de correction d'erreurs des ordinateurs classiques, est toutefois le "théorème de non-clonage". Il stipule que l'information quantique ne peut pas être facilement copiée. Il n'y a donc pas de "back-up". De même, la mécanique quantique ne permet pas de lire l'état d'un seul qubit sans perturber l'ensemble du calcul. Pour contourner ce problème, l'information stockée doit être transférée d'un qubit à un système intriqué de plusieurs autres qubits. L'idée a été développée par l'informaticien américain Peter Shor dès les années 1990. Une telle unité fonctionnelle composée de plusieurs qubits physiques est appelée qubit logique.
Jusqu'à présent, on considérait qu'un qubit logique à correction d'erreur nécessitait plus de 1000 qubits physiques. Une machine capable d'effectuer des calculs utilisables devrait alors avoir des millions de qubits physiques. Cependant, l'équipe de Bluvstein a maintenant réussi à améliorer les méthodes de correction d'erreurs existantes. L'efficacité finale de la correction d'erreur se traduit par un indicateur appelé "distance de code" : des distances de code plus grandes signifient une meilleure résistance aux erreurs quantiques, mais nécessitent également plus de qubits physiques. Une distance de code de sept n'a encore été démontrée par aucune autre équipe au monde. Cela permet de détecter et de corriger, au sein d'un qubit logique, trois erreurs quelconques qui peuvent se produire dans chacun des qubits physiques. En outre, l'équipe affirme avoir démontré pour la première fois qu'une augmentation de la distance de code réduit réellement la tolérance aux erreurs dans les opérations logiques. Cela ne va pas de soi, car plus le nombre de qubits augmente, plus la probabilité d'erreurs augmente.
Les évaluateurs externes de l'article de recherche ont qualifié le travail de l'équipe d'"impressionnant", de "progrès significatif" et de "preuve que cette technologie a rattrapé son retard et fait désormais partie des architectures de pointe pour un ordinateur quantique". Immanuel Bloch, directeur de l'Institut Max Planck d'optique quantique à Garching, près de Munich, et lui-même l'un des principaux chercheurs dans le domaine, a qualifié ces résultats de "très beau travail" au site Spektrum.de, qui a beaucoup de potentiel.
La prochaine étape doit cependant consister à détecter et à corriger les erreurs pendant le calcul, et non après. Ce n'est qu'alors que le système se rapprocherait vraiment d'une machine à usage universel. "C'est une période passionnante pour notre domaine de recherche, car l'approche de la correction quantique des erreurs et de la tolérance aux erreurs commence à porter ses fruits", a déclaré Mikhail Lukin, codirecteur de la Harvard Quantum Initiative et cofondateur de la start-up QuEra Computing, qui en est issue. Ce progrès a été réalisé grâce à un système similaire à un processeur quantique de deuxième génération de QuEra, non encore publié, mais qui est pour l'instant installé dans les locaux de l'université de Harvard. "Cette nouvelle étape va considérablement accélérer le développement d'ordinateurs quantiques puissants et favoriser la prochaine phase d'innovation", ce qui permettra peut-être à l'ordinateur quantique d'obtenir une recommandation pour le lycée dans quelques années.
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Photo de couverture : Shutterstock / Bartlomiej K. Wroblewski
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