Le rêve de créer des ordinateurs quantiques révolutionnaires – des supermachines qui codent les informations sous forme d’atomes uniques plutôt que de bits conventionnels – a été entravé par le formidable défi connu sous le nom de correction d’erreurs quantiques.
Dans un article publié lundi dans Naturedes chercheurs de Harvard ont démontré un nouveau système capable de détecter et de supprimer les erreurs en dessous d'un seuil de performance clé, offrant ainsi potentiellement une solution viable au problème.
« Pour la première fois, nous avons combiné tous les éléments essentiels pour un calcul quantique évolutif et corrigé des erreurs dans une architecture intégrée », a déclaré Mikhail Lukin, co-directeur de la Quantum Science and Engineering Initiative, professeur à l'Université Joshua et Beth Friedman et auteur principal du nouvel article. « Ces expériences, selon plusieurs mesures, les plus avancées jamais réalisées sur une plate-forme quantique à ce jour, créent la base scientifique d'un calcul quantique pratique à grande échelle. »
Dans le nouvel article, l'équipe a démontré un système « tolérant aux pannes » utilisant 448 bits quantiques atomiques manipulés avec une séquence complexe de techniques pour détecter et corriger les erreurs.
Les mécanismes clés comprennent l'intrication physique, l'intrication logique, la magie logique et la suppression de l'entropie. Par exemple, le système utilise l'astuce de la « téléportation quantique » : transférer l'état quantique d'une particule à une autre ailleurs sans contact physique.
« Il reste encore beaucoup de défis techniques à relever pour parvenir à un ordinateur à très grande échelle avec des millions de qubits, mais c'est la première fois que nous disposons d'une architecture conceptuellement évolutive », a déclaré l'auteur principal Dolev Bluvstein, Ph.D. '25, qui a mené la recherche pendant ses études supérieures à Harvard et est maintenant professeur adjoint à Caltech. « Cela va demander beaucoup d'efforts et de développement technique, mais il devient clair que nous pouvons construire des ordinateurs quantiques tolérants aux pannes. »
Collaboration et quête de correction d’erreurs
La collaboration dirigée par Harvard comprenait des chercheurs du MIT et était dirigée conjointement par Lukin ; Markus Greiner, professeur de physique George Vasmer Leverett ; et Vladan Vuletić, professeur Lester Wolfe de physique au MIT. L'équipe mène des recherches en collaboration avec QuEra Computing, une startup issue des laboratoires Harvard-MIT, du Joint Quantum Institute de l'Université du Maryland et du National Institute of Standards and Technology.
Le nouvel article représente une avancée importante dans une quête de trois décennies de correction des erreurs quantiques.
Les ordinateurs conventionnels codent les informations dans un code binaire de zéros et de uns. Les ordinateurs quantiques stockent les informations dans des particules subatomiques dont les propriétés contre-intuitives de la physique quantique peuvent atteindre une puissance de traitement bien supérieure.
Dans un ordinateur conventionnel, l'unité d'information la plus élémentaire est un « bit » (abréviation de chiffre binaire) ; dans les systèmes quantiques, l'unité de base est un « qubit » (ou bit quantique).
Dans les ordinateurs conventionnels, doubler le nombre de bits double la puissance de traitement ; dans les systèmes quantiques, l’ajout de qubits augmente la puissance de manière exponentielle en raison d’un phénomène appelé intrication quantique.
En théorie, un système de 300 bits quantiques peut stocker plus d’informations que le nombre de particules de l’univers connu.
Les promesses et les obstacles de l’informatique quantique
Avec une telle puissance, les ordinateurs quantiques ont le potentiel de réaliser des percées dans des domaines tels que la découverte de médicaments, la cryptographie, l’apprentissage automatique, l’intelligence artificielle, la finance et la conception de matériaux.
Mais il y a des obstacles à la réalisation de ce potentiel révolutionnaire. Le principal d’entre eux est le taux d’erreur. Les qubits sont intrinsèquement susceptibles de sortir de leur état quantique et de perdre leurs informations codées, ce qui fait de la correction des erreurs une condition préalable essentielle à la réalisation de grandes machines quantiques.
Dans le nouvel article, l’équipe a combiné diverses méthodes pour créer des circuits complexes avec des dizaines de couches de correction d’erreurs. Le système supprime les erreurs en dessous d'un seuil critique, le point où l'ajout de qubits réduit davantage les erreurs plutôt que de les augmenter.
« Il y a eu de nombreuses propositions théoriques importantes sur la façon dont vous devriez mettre en œuvre la correction des erreurs », a déclaré Alexandra Geim, l'un des auteurs principaux du nouvel article et titulaire d'un doctorat. étudiant en physique à la Kenneth C. Griffin Graduate School of Arts and Sciences. « Dans cet article, nous nous sommes vraiment concentrés sur la compréhension des mécanismes de base permettant un calcul évolutif en circuit profond. En comprenant cela, vous pouvez essentiellement supprimer les éléments dont vous n'avez pas besoin, réduire vos frais généraux et accéder à un régime pratique beaucoup plus rapidement. «
Lukin a déclaré que des années d'expériences avaient montré comment surmonter certains défis techniques et en éviter d'autres. « Nous réalisons lesquels de ces goulots d'étranglement sont réels et lesquels peuvent être contournés », a-t-il déclaré. « En fin de compte, la physique est une science expérimentale. En réalisant et en testant ces idées fondamentales en laboratoire, vous commencez vraiment à voir la lumière au bout du tunnel. »
Atomes neutres et course aux qubits
Les chercheurs du monde entier étudient diverses plates-formes potentielles pour les qubits, notamment différents types d’atomes, d’ions et de qubits supraconducteurs.
L'équipe de Harvard se spécialise dans les atomes neutres (ceux qui n'ont pas de charge électrique car ils ont un nombre égal de protons et d'électrons) de l'élément rubidium. Ils utilisent des lasers pour modifier la configuration des électrons afin de coder les atomes pour qu'ils deviennent des qubits porteurs d'informations.
Hartmut Neven, vice-président de l'ingénierie de l'équipe Google Quantum AI, a déclaré que le nouveau document intervenait au milieu d'une course « incroyablement excitante » entre les plates-formes de qubits. « Ce travail représente une avancée significative vers notre objectif commun de construire un ordinateur quantique utile à grande échelle », a-t-il déclaré.
En septembre, le groupe Harvard-MIT-QuEra a publié un autre Nature article démontrant un système de plus de 3 000 qubits qui pourrait fonctionner en continu pendant plus de deux heures et surmonter un autre obstacle technique lié à la perte d'atomes.
Avec les progrès récents, Lukin pense que les éléments essentiels à la construction d’ordinateurs quantiques sont en train de se mettre en place. « Ce grand rêve que beaucoup d'entre nous avaient depuis plusieurs décennies, pour la première fois, est vraiment en vue », a-t-il déclaré.
