Mathieu
Les mathématiques qui expliquent pourquoi un beignet est en réalité la même forme qu’une tasse à café mais pas une poubelle pourraient être la clé pour rendre les ordinateurs quantiques viables. Deux équipes de chercheurs ont utilisé la topologie, un domaine des mathématiques vieux de plusieurs siècles, et une nouvelle sorte de “quasiparticule” pour mettre au point une technique de correction d’erreur pour les ordinateurs quantiques qui pourrait rendre obsolètes ceux développés jusqu’à présent. Les systèmes de correction d’erreur sont essentiels pour les ordinateurs quantiques, car le bit quantique non protégé (qubit) est une chose perpétuellement délicate – souvent une seule particule ou état quantique qui est constamment soumis au bruit thermique ou aléatoire du système. Et parce que les qubits sont généralement interconnectés quantiquement les uns avec les autres – pour utiliser le jargon, les qubits sont généralement “intriqués” – le fait de mettre un ou deux qubits hors service peut affecter l’ensemble du système. La recherche des meilleurs systèmes de correction d’erreur quantique prend aujourd’hui de nombreuses formes. Des prototypes de correction d’erreur quantique, des techniques et des inventions émergent régulièrement des laboratoires, des start-ups et des géants de l’informatique quantique en herbe du monde entier. Mais un nouveau développement exploite une quasiparticule depuis longtemps insaisissable dont les comportements pourraient être adaptés aux besoins les plus pressants du qubit perpétuellement pointilleux. Deux entreprises – l’unité Quantum AI de Google et la start-up Quantinuum basée à Broomfield, dans le Colorado – se disputent maintenant les droits de découverte d’une entité quantique appelée anyon non-abélien. De nouveaux états de la matière pour résoudre de vieux problèmes. Les anyons non-abéliens existent dans des espaces bidimensionnels, tels que des surfaces ou des matériaux plans comme le graphène, et présentent une sorte de personnalité particulière imposée par les lois de la physique quantique. Contrairement aux particules complètement interchangeables comme les électrons et les photons, les anyons non-abéliens peuvent être suffisamment distinguables les uns des autres pour tracer des trajectoires distinctes, potentiellement en faisant des noeuds et des torsions autour les uns des autres dans le processus. (La topologie est l’étude, entre autres, de ces mêmes noeuds et torsions. C’est pourquoi l’anyon non-abélien est une créature de ce qu’on appelle la calcul quantique topologique.) Le puce H2 de l’ordinateur quantique de Quantinuum comporte 32 qubits composés d’ions d’ytterbium individuels à l’intérieur d’un piège électromagnétique. Quantinuum “Nous avons utilisé l’intrication des qubits pour créer un environnement dans lequel vous pouvez ensuite créer ces anyons”, explique Tony Uttley, président et directeur des opérations de Quantinuum. “C’est un état quantique de la matière que nous pouvons maintenant créer à l’intérieur d’un ordinateur quantique.” L’aspect convaincant de cette nouvelle sorte de quasiparticule, selon Pedram Roushan de Google Quantum AI, est la combinaison de leur accessibilité aux opérations logiques quantiques et de leur relative invulnérabilité au bruit thermique et environnemental. Cette combinaison, dit-il, a été reconnue dans la toute première proposition de calcul quantique topologique, en 1997, par le physicien russe Alexei Kitaev. À l’époque, Kitaev a réalisé que les anyons non-abéliens pouvaient exécuter n’importe quel algorithme d’ordinateur quantique. Et maintenant que deux groupes distincts ont créé les quasiparticules dans la nature, chaque équipe est impatiente de développer sa propre suite d’outils de calcul quantique autour de ces nouvelles quasiparticules. “L’idée géniale, c’est que si vous avez deux particules, vous pouvez les déplacer l’une autour de l’autre tout en les gardant à distance”, les protégeant ainsi des interactions qui pourraient effondrer leur délicate état quantique, explique Roushan. “La magie, c’est que… lorsque ces particules exécutent une tresse particulière, ces bits protégés peuvent réellement changer d’état.” À quoi ressemble un ordinateur quantique topologique ? Quantinuum, en collaboration avec Harvard et Stanford, a publié un article sur le serveur de préimpression Arxiv le mois dernier annonçant la création des anyons non-abéliens dans l’ordinateur quantique de l’entreprise, dont les 32 qubits sont des ions d’ytterbium individuels à l’intérieur d’un piège électromagnétique. “Ce piège se trouve à l’intérieur d’une chambre à vide ultrapoussée de la taille d’un ballon de basket”, explique Uttley. Pendant ce temps, l’équipe Quantum AI de Google et un consortium international de collaborateurs ont publié un article dans Nature ce mois-ci – l’ayant d’abord mis en ligne sur le serveur Arxiv en octobre dernier. Ce groupe a également signalé la création de anyons non-abéliens d’un type différent. L’équipe de Google a fait sa découverte de anyons non-abéliens sur un ordinateur quantique construit autour de qubits supraconducteurs qui sont composés de jonctions Josephson et d’autres éléments de circuit tels que des inductances et des condensateurs. L’équipe Quantum AI de Google a commencé à envisager l’informatique quantique topologique comme des tresses et des torsions de qubits autour les uns des autres. Les qubits sont essentiellement des oscillateurs inductance-capacité, explique Trond Andersen, membre de l’équipe Quantum AI de Google, à propos des qubits dans le système Google. “Mais ils sont faits avec des jonctions Josephson. Et leur particularité est que lorsque nous les refroidissons, nous pouvons observer les niveaux quantifiés de cet oscillateur. Et ces niveaux quantifiés sont ce que nous utilisons comme nos zéros et uns.” Chetan Nayak, spécialiste des anyons non-abéliens et de la correction d’erreur topologique chez Microsoft Research à Santa Barbara, en Californie, a confirmé l’importance de cette nouvelle recherche. Il a qualifié le travail de Quantinuum de “démonstration scientifique impressionnante” qui “valide la croyance de longue date de Microsoft selon laquelle l’ingénierie d’un qubit topologique protégé contre les erreurs est la voie à suivre pour fournir l’informatique quantique à grande échelle”. Et comme le trou d’électron est essentiel aux opérations quotidiennes des semi-conducteurs et des CPU, du moins selon ces chercheurs, la nouvelle quasiparticule pourrait être le pont nécessaire vers une sorte d’intrication protégée topologiquement qui permettrait de réaliser la promesse démesurée de l’informatique quantique.
