Une conception alternative des qubits corrige les erreurs matérielles

Il existe un consensus général selon lequel l’exécution de tout type d’algorithme complexe sur du matériel quantique devra attendre l’arrivée de qubits corrigés des erreurs. Les qubits individuels sont trop sujets aux erreurs pour être fiables pour des calculs complexes. Les informations quantiques devront donc être distribuées sur plusieurs qubits, permettant ainsi de surveiller les erreurs et d’intervenir lorsqu’elles se produisent.

Mais la plupart des moyens de créer ces « qubits logiques » nécessaires à la correction des erreurs nécessitent entre des dizaines et plus d’une centaine de qubits matériels individuels. Cela signifie que nous aurons besoin de dizaines de milliers à des millions de qubits matériels pour effectuer des calculs. Le matériel existant n’a franchi la barre des 1 000 qubits qu’au cours du mois dernier, de sorte que l’avenir semble être au mieux dans plusieurs années.

Mais jeudi, une société appelée Nord Quantique a annoncé avoir démontré une correction d’erreurs à l’aide d’un seul qubit doté d’une conception matérielle distincte. Bien que cela puisse potentiellement réduire considérablement le nombre de qubits matériels nécessaires à une correction d’erreur utile, la démonstration impliquait un seul qubit : la société ne prévoit même pas de démontrer des opérations sur des paires de qubits avant la fin de cette année.

Rencontrez le qubit bosonique

La technologie qui sous-tend ce travail est appelée qubit bosonique, et elle n’a rien de nouveau ; une entreprise d’instruments optiques propose même une liste de produits qui indique leur potentiel d’utilisation dans la correction d’erreurs. Mais si les concepts derrière leur utilisation de cette manière étaient bien établis, les démonstrations tardaient. Nord Quantique a maintenant publié un article dans arXiv qui détaille une démonstration de leur réduction réelle des taux d’erreur.

Les appareils sont structurés un peu comme un transmon, la forme de qubit privilégiée par les poids lourds de la technologie comme IBM et Google. Là, les informations quantiques sont stockées dans une boucle de fil supraconducteur et sont contrôlées par ce qu’on appelle un résonateur micro-ondes, un petit morceau de matériau dans lequel les photons micro-ondes se réfléchissent pendant un certain temps avant d’être perdus.

Un qubit bosonique renverse cette situation. Dans ce matériel, les informations quantiques sont conservées dans les photons, tandis que le fil supraconducteur et le résonateur contrôlent le système. Ceux-ci sont tous deux reliés à une cavité coaxiale (pensez à une structure qui, bien que microscopique, ressemble un peu à l’extrémité d’un connecteur de câble).

Massivement simplifiée, l’information quantique est stockée selon la manière dont les photons de la cavité interagissent. L’état des photons peut être surveillé par le fil résonateur/supraconducteur lié. Si quelque chose semble ne pas fonctionner, le résonateur/fil supraconducteur permet d’effectuer des interventions pour restaurer l’état d’origine. Des qubits supplémentaires ne sont pas nécessaires. « Une idée très simple et fondamentale derrière la correction des erreurs quantiques est la redondance », a déclaré à Ars le co-fondateur et CTO Julien Camirand Lemyre. « Une chose à propos des résonateurs et des oscillateurs dans les circuits supraconducteurs est que vous pouvez insérer beaucoup de photons à l’intérieur des résonateurs. Et pour nous, la redondance vient de là. »

Ce processus ne corrige pas toutes les erreurs possibles et n’élimine donc pas le besoin de qubits logiques créés à partir de plusieurs qubits matériels sous-jacents. En théorie, cependant, vous pouvez détecter les deux formes d’erreurs les plus courantes auxquelles les qubits sont sujets (retournements de bits et changements de phase).

Dans la prépublication d’arXiv, l’équipe de Nord Quantique a démontré que le système fonctionne. En utilisant un seul qubit et en mesurant simplement s’il conserve son état d’origine, le système de correction d’erreurs peut réduire les problèmes de 14 %. Malheureusement, la fidélité globale est également faible, à partir d’environ 85 %, ce qui est nettement inférieur à ce que l’on observe dans d’autres systèmes qui ont fait l’objet d’années de travail de développement. Certains qubits ont été démontrés avec une fidélité de plus de 99 %.

Devenir compétitif

Il ne fait donc aucun doute que Nord Quantique est bien derrière un certain nombre de leaders de l’informatique quantique capables d’effectuer des calculs (sujets aux erreurs) avec des dizaines de qubits et d’avoir des taux d’erreur bien inférieurs. Encore une fois, le travail de Nord Quantique a été réalisé en utilisant un seul qubit et sans effectuer aucune des opérations nécessaires pour effectuer un calcul.

Lemyre a déclaré à Ars que même si l’entreprise est petite, elle bénéficie du fait d’être une entreprise dérivée de l’Institut Quantique de l’Université de Sherbrooke au Canada, l’un des principaux centres de recherche quantique au Canada. En plus d’avoir accès à l’expertise là-bas, Nord Quantique utilise une usine de fabrication à Sherbrooke pour fabriquer sa quincaillerie.

Au cours de la prochaine année, la société espère démontrer que le système de correction d’erreurs peut fonctionner tandis que des paires de qubits sont utilisées pour effectuer des opérations de porte, les unités fondamentales de calcul. Une autre grande priorité est de combiner cette correction d’erreurs basée sur le matériel avec des schémas de qubits logiques plus traditionnels, ce qui permettrait de détecter et de corriger d’autres types d’erreurs. Cela impliquerait des opérations avec une douzaine ou plus de ces qubits bosoniques à la fois.

Mais le véritable défi se situera à plus long terme. L’entreprise compte sur la capacité de son matériel à gérer la correction d’erreurs pour réduire le nombre de qubits nécessaires à des calculs utiles. Mais si ses concurrents parviennent à augmenter le nombre de qubits assez rapidement tout en maintenant le contrôle et les taux d’erreur nécessaires, cela n’aura finalement pas d’importance. En d’autres termes, si Nord Quantique se situe encore dans la gamme des centaines de qubits alors que d’autres sociétés en comptent des centaines de milliers, sa technologie pourrait ne pas réussir, même si elle présente certains avantages inhérents.

Mais c’est ce qui est amusant dans ce domaine dans l’état actuel des choses : nous ne savons pas vraiment. Une poignée de technologies très différentes sont déjà bien avancées et semblent prometteuses. Et il existe d’autres ensembles qui en sont encore aux premiers stades du processus de développement, mais dont on pense qu’ils ont un chemin plus fluide vers une mise à l’échelle vers un nombre utile de qubits. Tous devront évoluer jusqu’à un minimum de dizaines de milliers de qubits tout en permettant d’effectuer des manipulations quantiques qui étaient à la pointe de la science il y a quelques décennies à peine.

En arrière-plan se profile le simple fait que nous n’avons jamais essayé d’étendre quelque chose de ce genre dans la mesure nécessaire. Des obstacles techniques imprévus pourraient limiter les progrès à un moment donné dans le futur.

Malgré tout cela, il y a des gens qui soutiennent chacune de ces technologies et qui en savent bien plus que moi sur la mécanique quantique. C’est un moment amusant.