Google affirme avoir fait une percée dans l'informatique quantique en réduisant le nombre d'erreurs
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Des chercheurs de Google affirment avoir réalisé une percée dans le domaine de la correction quantique des erreurs, qui pourrait ouvrir la voie à des ordinateurs quantiques enfin à la hauteur des promesses de cette technologie.
Les partisans des ordinateurs quantiques affirment que ces machines pourront favoriser la découverte scientifique dans des domaines allant de la physique des particules à la conception de médicaments et de matériaux, à condition que leurs concepteurs parviennent à faire en sorte que le matériel se comporte comme prévu.
L'une des principales difficultés réside dans le fait que les ordinateurs quantiques peuvent stocker ou manipuler des informations de manière incorrecte, ce qui les empêche d'exécuter des algorithmes suffisamment longs pour être utiles. Les nouvelles recherches de Google Quantum AI et de ses collaborateurs universitaires démontrent qu'il est possible d'ajouter des composants pour réduire ces erreurs.
Auparavant, en raison des limites de l'ingénierie, l'ajout de composants à l'ordinateur quantique tendait à introduire davantage d'erreurs. En fin de compte, ces travaux renforcent l'idée que la correction des erreurs est une stratégie viable pour construire un ordinateur quantique utile. Certains critiques avaient douté de l'efficacité de cette approche, selon le physicien Kenneth Brown de l'université Duke, qui n'a pas participé à la recherche.
« Cette correction d'erreur fonctionne vraiment, et je pense qu'elle ne fera que s'améliorer », a écrit Michael Newman, membre de l'équipe de Google, sur X. (Google, qui a publié les travaux de recherche sur le serveur de prépublication arXiv en août, a refusé de faire des commentaires pour cet article).
Les ordinateurs quantiques encodent des données en utilisant des objets qui se comportent selon les principes de la mécanique quantique. En particulier, ils stockent les informations non seulement sous forme de 1 et de 0, comme le fait un ordinateur classique, mais aussi sous forme de « superpositions » de 1 et de 0. Le stockage des informations sous forme de ces superpositions et la manipulation de leur valeur à l'aide d'interactions quantiques telles que l'intrication (un moyen pour les particules d'être connectées même sur de longues distances) permettent de créer des types d'algorithmes entièrement nouveaux.
Dans la pratique, cependant, les développeurs d'ordinateurs quantiques ont constaté que des erreurs se glissaient rapidement dans le système en raison de la grande sensibilité des composants. Un ordinateur quantique représente 1, 0 ou une superposition en plaçant l'un de ses composants dans un état physique particulier, et il est trop facile de modifier accidentellement ces états. Un composant se retrouve alors dans un état physique qui ne correspond pas à l'information qu'il est censé représenter. Ces erreurs s'accumulent au fil du temps, ce qui signifie que l'ordinateur quantique ne peut pas fournir de réponses précises pour de longs algorithmes sans correction d'erreur.
L'entreprise souhaite construire un ordinateur contenant jusqu'à 1 million de qubits sur un campus de Chicago.
Pour corriger les erreurs, les chercheurs doivent coder les informations dans l'ordinateur quantique d'une manière particulière. Les ordinateurs quantiques sont constitués de composants individuels appelés qubits physiques, qui peuvent être fabriqués à partir de différents matériaux, tels que des atomes ou des ions. Dans le cas de Google, chaque qubit physique consiste en un minuscule circuit supraconducteur qui doit être maintenu à une température extrêmement froide.
Les premières expériences sur les ordinateurs quantiques stockaient chaque unité d'information dans un seul qubit physique. Aujourd'hui, des chercheurs, dont l'équipe de Google, ont commencé à expérimenter le codage de chaque unité d'information dans plusieurs qubits physiques.
Ils appellent cette constellation de qubits physiques un qubit « logique » unique, qui peut représenter 1, 0 ou une superposition des deux. De par sa conception, le qubit « logique » unique peut conserver une unité d'information de manière plus robuste qu'un qubit « physique » unique. L'équipe de Google corrige les erreurs dans le qubit logique à l'aide d'un algorithme connu sous le nom de code de surface, qui utilise les qubits physiques constitutifs du qubit logique.
Dans le cadre de ces nouveaux travaux, Google a fabriqué un qubit logique unique à partir d'un nombre variable de qubits physiques. Les chercheurs ont démontré qu'un qubit logique composé de 105 qubits physiques supprimait les erreurs plus efficacement qu'un qubit logique composé de 72 qubits.
Cela suggère que l'assemblage d'un nombre croissant de qubits physiques dans un qubit logique « peut réellement supprimer les erreurs », explique M. Brown. Cela ouvre la voie à la construction d'un ordinateur quantique dont le taux d'erreur est suffisamment bas pour exécuter un algorithme utile, bien que les chercheurs doivent encore démontrer qu'ils peuvent assembler plusieurs qubits logiques et passer à une machine plus grande.
Les cryptographes veulent des schémas de cryptage impossibles à décrypter par les ordinateurs quantiques de demain. Il n'y a qu'un hic : ils pourraient ne pas exister.
Les chercheurs indiquent également que la durée de vie du qubit logique dépasse d'un facteur 2,4 la durée de vie du meilleur qubit physique qui le compose. En d'autres termes, les travaux de Google démontrent essentiellement qu'il est possible de stocker des données dans une « mémoire » quantique fiable.
Cependant, cette démonstration n'est qu'un premier pas vers un ordinateur quantique à correction d'erreur, explique Jay Gambetta, vice-président de l'initiative quantique d'IBM. Il souligne que si Google a fait la démonstration d'une mémoire quantique plus robuste, il n'a pas effectué d'opérations logiques sur les informations stockées dans cette mémoire.
« En fin de compte, ce qui compte, c'est la taille du circuit quantique : Quelle est la taille d'un circuit quantique que l'on peut faire fonctionner ? (Un « circuit quantique » est une série logique d'opérations exécutées sur un ordinateur quantique). « Et avez-vous un chemin à suivre pour montrer comment vous allez faire fonctionner des circuits quantiques de plus en plus grands ?
IBM, dont les ordinateurs quantiques sont également composés de qubits fabriqués à partir de circuits supraconducteurs, adopte une approche de correction des erreurs différente de la méthode du code de surface de Google. Elle pense que cette méthode, connue sous le nom de code de contrôle 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'erreur comparables. D'ici 2026, IBM entend démontrer qu'elle peut fabriquer 12 qubits logiques à partir de 244 qubits physiques, précise Jay Gambetta.
Pendant un certain temps, les chercheurs ont pensé qu'ils devraient se contenter de systèmes bruyants et sujets aux erreurs, du moins à court terme. Les choses commencent à changer.
D'autres chercheurs explorent également d'autres approches prometteuses. Au lieu de circuits supraconducteurs, une équipe affiliée à la société d'informatique quantique QuEra, basée à Boston, utilise des atomes neutres comme qubits physiques. Au début de l'année, elle a publié dans Nature une étude montrant qu'elle avait exécuté des algorithmes en utilisant jusqu'à 48 qubits logiques constitués d'atomes de rubidium.
Jay Gambetta invite les chercheurs à faire preuve de patience et à ne pas exagérer les progrès réalisés. « Je ne veux pas que l'on pense que la correction d'erreurs est terminée », déclare-t-il. Le développement de matériel prend tout simplement beaucoup de temps parce que le cycle de conception, de construction et de dépannage est long, surtout si on le compare au développement de logiciels. « Je ne pense pas que cela soit propre à l'informatique quantique », ajoute-t-il.
"Pour exécuter des algorithmes dont l'utilité pratique est garantie, un ordinateur quantique doit effectuer environ un milliard d'opérations logiques", explique Kenneth Brown. « Et personne n'est encore proche du milliard d'opérations », ajoute-t-il. Une autre étape importante consisterait à créer un ordinateur quantique doté de 100 qubits logiques, ce que QuEra s'est fixé comme objectif pour 2026. Un ordinateur quantique de cette taille serait capable de réaliser des simulations hors de portée des ordinateurs classiques. Les scientifiques de Google ont fabriqué un seul qubit logique de haute qualité, mais la prochaine étape consiste à montrer qu'ils peuvent réellement en faire quelque chose.