Avancées dans la Correction d’Erreurs Quantique

Une Percée Prometteuse

Des chercheurs de Google ont annoncé une avancée significative dans le domaine de la correction d’erreurs quantiques, une étape qui pourrait permettre aux ordinateurs quantiques de réaliser enfin leur potentiel. Les partisans de cette technologie estiment que ces machines pourraient révolutionner la découverte scientifique dans des domaines variés, allant de la physique des particules à la conception de médicaments et de matériaux, à condition que les concepteurs parviennent à faire fonctionner le matériel comme prévu.

Les Défis de la Technologie Quantique

Un des principaux obstacles rencontrés par les ordinateurs quantiques est leur capacité à stocker ou manipuler des informations de manière incorrecte, ce qui les empêche d’exécuter des algorithmes suffisamment longs pour être utiles. La recherche récente de Google Quantum AI, en collaboration avec des universitaires, montre qu’il est possible d’ajouter des composants pour réduire ces erreurs. Auparavant, en raison des limitations techniques, l’ajout de composants supplémentaires entraînait souvent une augmentation des erreurs. Ce travail renforce l’idée que la correction d’erreurs est une stratégie viable pour construire un ordinateur quantique fonctionnel. Certains sceptiques, comme le physicien Kenneth Brown de l’Université Duke, avaient remis en question l’efficacité de cette approche.

La Validité de la Correction d’Erreurs

Michael Newman, membre de l’équipe de Google, a exprimé sur X que « ce système de correction d’erreurs fonctionne réellement, et je pense qu’il ne fera que s’améliorer ». Google a publié ses recherches sur le serveur de préimpression arXiv en août, mais n’a pas souhaité faire de commentaires officiels à ce sujet.

Les Fondements des Ordinateurs Quantiques

Les ordinateurs quantiques codent les données en utilisant des objets qui obéissent aux principes de la mécanique quantique. Contrairement aux ordinateurs classiques qui stockent l’information sous forme de 1 et 0, les ordinateurs quantiques utilisent également des « superpositions » de ces valeurs. Cette capacité à stocker des informations sous forme de superpositions et à manipuler leur valeur grâce à des interactions quantiques, comme l’intrication, ouvre la voie à de nouveaux types d’algorithmes.

Sensibilité et Erreurs

Cependant, les développeurs d’ordinateurs quantiques ont constaté que des erreurs apparaissent rapidement en raison de la sensibilité des composants. Un ordinateur quantique représente 1, 0 ou une superposition en plaçant un de ses composants dans un état physique particulier, et il est facile de modifier accidentellement ces états. Ces erreurs s’accumulent avec le temps, rendant impossible la fourniture de réponses précises pour des algorithmes longs sans correction d’erreurs.

La Méthode de Correction

Pour corriger les erreurs, les chercheurs doivent encoder l’information de manière spécifique dans l’ordinateur quantique. Les ordinateurs quantiques sont constitués de composants appelés qubits physiques, qui peuvent être fabriqués à partir de divers matériaux, tels que des atomes uniques ou des ions. Dans le cas de Google, chaque qubit physique est un petit circuit supraconducteur qui doit être maintenu à une température extrêmement basse.

Innovations dans l’Encodage

Les premières expériences sur les ordinateurs quantiques stockaient chaque unité d’information dans un seul qubit physique. Actuellement, des chercheurs, y compris l’équipe de Google, expérimentent l’encodage de chaque unité d’information dans plusieurs qubits physiques. Ils désignent cet ensemble de qubits physiques comme un qubit « logique », capable de représenter 1, 0 ou une superposition des deux. Ce qubit logique est conçu pour maintenir une unité d’information de manière plus robuste qu’un qubit physique unique. L’équipe de Google corrige les erreurs dans le qubit logique en utilisant un algorithme connu sous le nom de code de surface, qui exploite les qubits physiques constitutifs du qubit logique.

Résultats Prometteurs

Dans cette nouvelle recherche, Google a créé un qubit logique à partir de différents nombres de qubits physiques. Les chercheurs ont démontré qu’un qubit logique composé de 105 qubits physiques réduisait les erreurs plus efficacement qu’un qubit logique composé de 72 qubits. Cela suggère que l’augmentation du nombre de qubits physiques dans un qubit logique peut réellement diminuer les erreurs, ouvrant ainsi la voie à la construction d’un ordinateur quantique avec un taux d’erreur suffisamment bas pour exécuter des algorithmes utiles. Cependant, les chercheurs n’ont pas encore prouvé qu’ils pouvaient assembler plusieurs qubits logiques pour créer une machine plus grande.

Durée de Vie des Qubits Logiques

Les chercheurs rapportent également que la durée de vie du qubit logique dépasse celle de son meilleur qubit physique constitutif d’un facteur de 2,4. En d’autres termes, le travail de Google démontre essentiellement qu’il est possible de stocker des données dans une « mémoire » quantique fiable.

Perspectives d’Avenir

Cependant, cette démonstration n’est qu’une première étape vers un ordinateur quantique corrigé, selon Jay Gambetta, vice-président de l’initiative quantique d’IBM. Il souligne que, bien que Google ait montré une mémoire quantique plus robuste, aucune opération logique n’a encore été effectuée sur les informations stockées dans cette mémoire. « À la fin de la journée, ce qui compte, c’est : quelle taille de circuit quantique pourriez-vous exécuter ? » demande-t-il.

Approches Alternatives

IBM, dont les ordinateurs quantiques sont également composés de qubits en circuits supraconducteurs, adopte une approche de correction d’erreurs différente de celle de Google. Ils estiment que leur méthode, connue sous le nom de code de vérification de parité à faible densité, sera plus facile à mettre à l’échelle, chaque qubit logique nécessitant moins de qubits physiques pour atteindre des taux de suppression d’erreurs comparables. D’ici 2026, IBM prévoit de démontrer qu’il peut créer 12 qubits logiques à partir de 244 qubits physiques.

Autres Initiatives de Recherche

D’autres chercheurs explorent également des approches prometteuses. Par exemple, une équipe associée à l’entreprise de calcul quantique QuEra, basée à Boston, utilise des atomes neutres comme qubits physiques. Plus tôt cette année, ils ont publié dans Nature une étude montrant qu’ils avaient exécuté des algorithmes utilisant jusqu’à 48 qubits logiques fabriqués à partir d’atomes de rubidium.

Conclusion

Gambetta met en garde les chercheurs contre l’excès d’enthousiasme et les exhorte à faire preuve de patience. « Je ne veux tout simplement pas que le domaine pense que la correction d’erreurs est terminée », dit-il. Le développement matériel prend du temps, car le cycle de conception, de construction et de dépannage est long, surtout en comparaison avec le développement logiciel. Pour exécuter des algorithmes avec une utilité pratique garantie, un ordinateur quantique doit réaliser environ un milliard d’opérations logiques. « Et personne n’est encore près d’un milliard d’opérations », souligne Brown. Un autre objectif serait de créer un ordinateur quantique avec 100 qubits logiques, un but que QuEra s’est fixé pour 2026. Un ordinateur quantique de cette taille serait capable de simulations inaccessibles aux ordinateurs classiques. Les scientifiques de Google ont réussi à créer un qubit logique de haute qualité, mais la prochaine étape consiste à démontrer qu’ils peuvent réellement l’utiliser.