Une percée dans l’informatique quantique pourrait se produire avec seulement des centaines, et non des millions, de qubits grâce à un nouveau système de correction d’erreurs
Des ordinateurs quantiques plus puissants que les supercalculateurs les plus rapides pourrait être plus proche que les experts ne l’avaient prédit, affirment les chercheurs de la start-up Nord Quantique.
En effet, la société a construit un qubit physique individuel de correction d’erreurs qui pourrait réduire considérablement le nombre de qubits nécessaires pour obtenir un avantage quantique (c’est là que les ordinateurs quantiques sont véritablement utiles).
À terme, cela pourrait conduire à une machine atteignant la suprématie quantique, où un ordinateur quantique serait plus puissant que les ordinateurs classiques.
Contrairement aux bits classiques qui codent les données sous la forme 1 ou 0, les qubits s’appuient sur les lois de mécanique quantique pour atteindre la « cohérence » et coder les données sous forme de superposition de 1 ou 0 – ce qui signifie que les données sont codées simultanément dans les deux états.
Dans ordinateurs quantiques, plusieurs qubits peuvent être assemblés via intrication quantique — où les qubits peuvent partager les mêmes informations quelle que soit la distance qui les sépare dans le temps ou dans l’espace — pour traiter les calculs en parallèle, alors que les ordinateurs classiques ne peuvent traiter les calculs qu’en séquence.
Mais les qubits sont « bruyants », ce qui signifie qu’ils sont très sujets aux interférences de leur environnement, telles que les changements de température, ce qui entraîne des taux d’erreur élevés. Pour cette raison, ils doivent souvent être refroidis à un niveau proche zéro absolu mais même dans ce cas, ils peuvent toujours tomber dans une « décohérence » à mi-chemin des calculs et échouer en raison de facteurs externes.
Ce taux d’erreur élevé signifie qu’un ordinateur quantique aurait besoin de millions de qubits pour atteindre la suprématie quantique. Mais les ordinateurs quantiques les plus puissants d’aujourd’hui contiennent seulement 1 000 qubits.
C’est pourquoi la recherche se concentre fortement sur la réduction du taux d’erreur des qubits. Une façon de réduire les erreurs consiste à créer un « qubit logique », dans lequel plusieurs qubits sont intriqués pour se comporter comme un qubit efficace et sans erreur lors des calculs. Cela repose sur la redondance – un concept informatique dans lequel les mêmes données sont stockées à plusieurs endroits.
Un qubit physique qui se comporte comme un qubit logique
Les scientifiques de Nord Quantique ont adopté une approche différente, en concevant un qubit physique individuel, puis en appliquant des « codes bosoniques » pendant le fonctionnement pour réduire les erreurs au niveau de chaque qubit individuel. Ils ont présenté leurs conclusions dans une étude publiée le 12 avril dans la revue Lettres d’examen physique. Les codes bosoniques sont des codes correcteurs d’erreurs conçus spécifiquement pour les systèmes qui utilisent des modes bosoniques, tels que photons. Ils exploitent les propriétés quantiques des bosons pour protéger les informations contre les erreurs.
Les scientifiques de Nord Quantique ont construit un « qubit bosonique », qui a environ la taille d’une noix, à partir de jusqu’à 10 photons micro-ondes, ou particules lumineuses, qui résonnent dans une cavité en aluminium supraconducteur de haute pureté, refroidie à un niveau proche du zéro absolu.
Les scientifiques de Nord Quantique ont construit un « qubit bosonique », qui a environ la taille d’une noix. (Image credit: Nord Quantique)
Les codes bosoniques ont ensuite été appliqués alors que des calculs étaient en cours pour corriger deux types d’erreurs quantiques : les « bit-flips », ou lorsque les 0 et les 1 sont lus les uns comme les autres ; et les « inversions de phase », lorsque la probabilité qu’un qubit soit positif ou négatif est inversée.
Leurs codes bosoniques ont prolongé le temps de cohérence des qubits individuels de 14 %, ce qui, selon les scientifiques, est le meilleur résultat à ce jour. Les simulations ont également montré que la correction d’erreurs est non seulement viable, mais qu’elle est susceptible d’être plus forte lors de l’ajout de qubits supplémentaires au qubit unique existant, ont écrit les scientifiques dans leur article.
L’utilisation de centaines de ces qubits dans un ordinateur quantique pourrait conduire à un avantage quantique – plutôt que les millions de qubits que les scientifiques pensaient auparavant dont nous aurions besoin, co-auteur de l’étude et directeur technologique de Nord Quantique, Julien Camirand Lemyre, a déclaré à Live Science. La durée de vie accrue des qubits, grâce à la conception, associée à des vitesses d’horloge opérationnelles revendiquées jusqu’à 1 000 fois supérieures à celles de machines comparables, signifie que beaucoup plus de calculs peuvent être effectués dans cette courte fenêtre. Cela signifie que la « surcharge » de qubits redondants n’est pas nécessaire par rapport à une machine qui n’utilise aucune correction d’erreur ou même une machine avec des qubits logiques.
La course pour construire un ordinateur quantique sans panne
D’autres sociétés, telles que Quantinuum et QuEra, utilisent différentes approches pour réduire le taux d’erreur, mais la plupart s’appuient sur des qubits logiques. Lemyre a soutenu que l’approche de son entreprise est meilleure que cette méthode de « force brute ».
« L’approche de Nord Quantique en matière de création de qubits implique de créer la redondance nécessaire à la correction d’erreurs directement dans le matériel qui constitue chaque qubit physique. Ainsi, dans un sens, nous transformons les qubits physiques en qubits logiques grâce à une combinaison de notre architecture unique et de l’utilisation de ce que nous appelons des codes bosoniques », a déclaré Lemyre.
Pourtant, des obstacles à la suprématie quantique demeurent. Lemyre a noté que les ordinateurs quantiques plus grands auront besoin de « une poignée de qubits physiques » pour corriger les quelques erreurs manquées par les codes bosoniques.
La prochaine étape de l’entreprise consiste à achever la construction d’un système, attendu d’ici l’automne de cette année, avec plusieurs qubits physiques de correction d’erreurs. Si tout se passe comme prévu, Nord Quantique espère lancer un ordinateur quantique doté d’environ 100 de ces qubits d’ici 2028, a déclaré Lemyre.
