Pour construire un ordinateur quantique universel à partir de composants quantiques fragiles, la mise en œuvre efficace de la correction d’erreur quantique (QEC) est une exigence essentielle et un défi central. QEC est utilisé dans l'informatique quantique, qui a le potentiel de résoudre des problèmes scientifiques dépassant le cadre des superordinateurs, afin de protéger les informations quantiques contre les erreurs dues à divers bruits.
Publié par la revue Nature, recherche co-écrite par Chen Wang, physicien à l'Université du Massachusetts à Amherst, les étudiants diplômés Jeffrey Gertler et Shruti Shirol, et le chercheur postdoctoral Juliang Li, fait un pas en avant vers la construction d'un ordinateur quantique tolérant aux pannes. Ils ont réalisé un nouveau type de QEC où les erreurs quantiques sont spontanément corrigées.
Les ordinateurs d'aujourd'hui sont construits avec des transistors représentant des bits classiques (0 ou 1). L'informatique quantique est un nouveau paradigme passionnant de calcul utilisant des bits quantiques (qubits) où la superposition quantique peut être exploitée pour des gains exponentiels en puissance de traitement. L’informatique quantique tolérante aux pannes pourrait faire progresser considérablement la découverte de nouveaux matériaux, l’intelligence artificielle, l’ingénierie biochimique et bien d’autres disciplines.
Les qubits étant intrinsèquement fragiles, le défi le plus important dans la construction d’ordinateurs quantiques aussi puissants est la mise en œuvre efficace de la correction d’erreurs quantiques. Les démonstrations existantes de QEC sont actives, ce qui signifie qu'elles nécessitent une vérification périodique des erreurs et leur correction immédiate, ce qui est très exigeant en ressources matérielles et entrave donc la mise à l'échelle des ordinateurs quantiques.
En revanche, l’expérience des chercheurs permet d’obtenir une QEC passive en adaptant la friction (ou la dissipation) subie par le qubit. La friction étant communément considérée comme l’ennemi juré de la cohérence quantique, ce résultat peut paraître assez surprenant. Le problème est que la dissipation doit être conçue spécifiquement de manière quantique. Cette stratégie générale est connue en théorie depuis environ deux décennies, mais trouver un moyen pratique d'obtenir une telle dissipation et de la mettre en œuvre pour la QEC constitue un défi.
"Bien que notre expérience soit encore une démonstration plutôt rudimentaire, nous avons finalement réalisé cette possibilité théorique contre-intuitive de QEC dissipative", explique Chen. « Pour l’avenir, cela implique qu’il pourrait y avoir davantage de moyens de protéger nos qubits contre les erreurs et à moindre coût. Par conséquent, cette expérience ouvre la perspective de la construction d’un ordinateur quantique utile et tolérant aux pannes à moyen et long terme.
Chen décrit en termes simples à quel point le monde quantique peut être étrange. « Comme dans le célèbre (ou tristement célèbre) exemple du physicien allemand Erwin Schrödinger, un chat emballé dans une boîte fermée peut être à la fois mort ou vivant. Chaque qubit logique de notre processeur quantique ressemble beaucoup à un chat de mini-Schrödinger. En fait, nous l'appelons littéralement un « qubit de chat ». Avoir beaucoup de ces chats peut nous aider à résoudre certains des problèmes les plus difficiles au monde.
"Malheureusement, il est très difficile de garder un chat ainsi, car tout gaz, lumière ou quoi que ce soit qui s'échappe dans la boîte détruira la magie : le chat deviendra soit mort, soit juste un chat vivant ordinaire", explique Chen. « La stratégie la plus simple pour protéger un chat de Schrödinger est de rendre la boîte aussi étanche que possible, mais cela rend également plus difficile son utilisation à des fins de calcul. Ce que nous venons de démontrer revient à peindre l’intérieur de la boîte d’une manière spéciale, ce qui aide d’une manière ou d’une autre le chat à mieux survivre aux dommages inévitables du monde extérieur.
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Les co-auteurs incluent également Brian Baker et Jens Koch de la Northwestern University.
