Des chercheurs de l’ETH Zurich ont développé une nouvelle méthode pour effectuer des opérations quantiques qui réduit considérablement les taux d’erreur dans les ordinateurs quantiques à atomes neutres. En tirant parti d’un phénomène physique connu sous le nom de phase géométrique, cette nouvelle approche crée des portes d’échange bien plus stables que les méthodes traditionnelles, rapprochant ainsi la technologie d’une utilité pratique à grande échelle.
Les résultats, publiés le 8 avril dans la revue Nature, s’attaquent à l’un des goulots d’étranglement les plus persistants de l’informatique quantique : l’extrême sensibilité des qubits aux erreurs causées par le bruit ambiant et les imperfections matérielles.
Le problème : la fragilité face au bruit
Les ordinateurs quantiques tirent leur puissance des qubits, qui peuvent exister dans une superposition d’états (0 et 1 simultanément). Pour effectuer des calculs, ces systèmes utilisent des portes logiques pour manipuler les qubits. Un composant essentiel est la porte d’échange, qui échange les états de deux qubits, permettant ainsi aux informations d’être acheminées via le processeur.
Cependant, les méthodes actuelles permettant de créer des portes d’échange dans les systèmes à atomes neutres sont très sensibles. Ces systèmes utilisent généralement des lasers pour suspendre des atomes neutres (tels que le potassium) en place, formant ainsi un réseau optique. Les portes d’échange traditionnelles reposent sur :
* États électroniques très excités.
* Collisions atomiques.
* L’effet tunnel quantique.
Ces techniques dépendent fortement du timing et de l’intensité précis des lasers. Même des fluctuations microscopiques de la puissance ou du timing du laser peuvent introduire des erreurs, provoquant la défaillance de la porte. Cette sensibilité contribue au taux d’erreur élevé des bits quantiques actuels (environ 1 sur 1 000 ) par rapport au taux d’erreur de 1 sur 1 000 milliards des bits de silicium conventionnels. Cet écart empêche les ordinateurs quantiques d’évoluer pour surpasser les supercalculateurs classiques.
La solution : la géométrie sur le temps
L’équipe de l’ETH Zurich, dirigée par le chercheur postdoctoral Yann Hendrick Kiefer, a contourné ces vulnérabilités en utilisant la phase géométrique.
Contrairement aux portes « dynamiques » conventionnelles, qui dépendent d’un contrôle exact des niveaux d’énergie, du timing et de l’intensité du laser, les portes géométriques s’appuient sur le chemin emprunté par le système quantique à travers son espace d’états.
“La manipulation de cette fonction d’onde introduit généralement une phase sur la fonction d’onde, qui peut être soit d’origine dynamique, soit géométrique”, explique Kiefer. “L’approche géométrique fonctionne différemment : au lieu de dépendre d’un timing ou d’une force exacte, elle dépend principalement du chemin global emprunté par le système du début à la fin.”
Dans cette configuration, des dizaines de milliers d’atomes de potassium sont refroidis jusqu’à un niveau proche du zéro absolu et maintenus en place par des faisceaux laser qui se croisent. Lorsque deux atomes sont suffisamment rapprochés pour que leurs ondes quantiques se chevauchent, leur état combiné change uniquement en fonction de la géométrie de leur mouvement. Étant donné que ce changement est indépendant de la rapidité avec laquelle les atomes se déplacent ou de l’intensité des lasers, le fonctionnement est naturellement robuste au bruit expérimental.
Précision et échelle record
Les implications pratiques de cette méthode sont importantes. L’équipe de recherche a démontré une porte d’échange avec les mesures de performances suivantes :
* Précision : Mieux que 99,91 %.
* Vitesse : Fonctionne en moins d’une milliseconde.
* Échelle : Application réussie sur 17 000 paires de qubits simultanément.
Bien que les systèmes supraconducteurs ou à ions piégés puissent atteindre des vitesses de porte plus rapides (inférieures à la microseconde), ils ne fonctionnent généralement que sur une poignée de paires de qubits à la fois. La méthode de l’ETH Zurich offre une combinaison unique de haute fidélité et de parallélisme massif, essentielle à la construction de processeurs quantiques à grande échelle.
Implications pour l’avenir de l’informatique quantique
L’étude a également confirmé la création de portes « demi-swap », essentielles à l’exécution d’algorithmes quantiques complexes. Contrairement à un échange complet, qui déplace simplement des informations, un demi-échange échange partiellement des états tout en créant un intrication, la corrélation unique entre les qubits qui donne aux ordinateurs quantiques leur puissance de traitement exponentielle.
Cette avancée remet en question les hypothèses antérieures sur les ressources requises pour l’informatique quantique pratique. Historiquement, on pensait que des millions de qubits seraient nécessaires pour exécuter des algorithmes comme l’algorithme de Shor, qui peut prendre en compte de grands nombres et briser le cryptage moderne. Cependant, des études récentes suggèrent qu’avec des portes plus fidèles comme celles développées par l’ETH Zurich, de tels problèmes pourraient potentiellement être résolus avec seulement 10 000 qubits.
Conclusion
Même si un ordinateur quantique pratique et tolérant aux pannes reste un travail en cours, cette approche géométrique marque une étape cruciale en avant. En dissociant les opérations quantiques du bruit du contrôle laser, les chercheurs ont ouvert la voie à des systèmes plus stables et évolutifs, transformant lentement le rêve d’une informatique quantique puissante en réalité.
