Les physiciens de Google ont fait un pas important vers la protection des informations délicates dans leur ordinateur quantique naissant contre les erreurs qui peuvent l’effacer. Les chercheurs ne peuvent pas encore compenser tous les types d’erreurs – une étape nécessaire vers la construction d’un ordinateur quantique à part entière – mais d’autres disent qu’ils sont sur le point d’atteindre cet objectif.

« Il n’y a pas de percée fracassante ici, mais ils font le travail dur, et ils rapportent des progrès clairs pour une percée future », explique Greg Kuperberg, mathématicien à l’Université de Californie, Davis. Joschka Roffe, physicien théoricien à l’Université libre de Berlin, affirme que les chercheurs de Google sont « à portée de main » de démontrer une correction d’erreur complète.

Depuis plus de 20 ans, physiciens et ingénieurs développent des ordinateurs quantiques qui pourraient un jour résoudre des problèmes qui submergent n’importe quel ordinateur conventionnel imaginable, comme le craquage des schémas de cryptage actuellement utilisés pour protéger les informations sur Internet. De votre téléphone portable au plus gros superordinateur, un ordinateur conventionnel manipule des commutateurs électriques appelés bits qui peuvent être réglés sur 0 ou 1. En revanche, un ordinateur quantique manipule des qubits qui peuvent être réglés sur 0, 1, ou, bizarrement, n’importe quel mélange de 0 et 1 en même temps—disons 30 % 0 et 70 % 1.

Cependant, les qubits sont beaucoup plus pointilleux que les bits ordinaires. Le moindre bruit de l’environnement, tel que des champs électriques ou magnétiques parasites, peut effacer l’état délicat bidirectionnel d’un qubit et le laisser à 0 ou à 1. Par exemple, les qubits de Google, qui consistent en de minuscules circuits de le métal supraconducteur qui a deux états avec des énergies distinctes, peut maintenir un état bidirectionnel pendant environ 15 microsecondes avant que le bruit ne l’obscurcisse. Ce n’est pas assez long pour permettre aux ordinateurs quantiques d’aujourd’hui de réaliser les grandes ambitions des chercheurs.

Faire face à de telles erreurs est un formidable défi. Un ordinateur ordinaire peut se protéger contre les erreurs en faisant simplement des copies redondantes de bits et en utilisant ces copies pour vérifier l’état correct. Un ordinateur quantique ne peut pas faire cela, car la mécanique quantique interdit de copier l’état inconnu d’un qubit vers d’autres. Au lieu de cela, les scientifiques ont conçu des moyens de diffuser les informations dans un qubit «logique» sur de nombreux bits physiques. Par exemple, l’état d’un seul qubit qui vaut 30% 0 et 70% 1 peut être étendu à trois qubits de sorte que, pris en groupe, les qubits soient dans un état dans lequel 30% des trois sont 0 et 70% de les trois sont 1. Cet état quantique plus grand, mais équivalent, aide les chercheurs à éliminer les erreurs.

Cependant, ils ne peuvent pas le faire en mesurant directement ces qubits de données, car la mesure elle-même écraserait l’état bidirectionnel. Ainsi, les chercheurs entrelacent les qubits de données avec des qubits dits auxiliaires et établissent un lien quantique appelé intrication entre chaque ancilla et ses voisins. En mesurant à plusieurs reprises un qubit auxiliaire, les chercheurs peuvent déterminer si les qubits de données voisins ont basculé les uns par rapport aux autres, sans mesurer directement les qubits de données. En principe, les physiciens peuvent alors remettre ces qubits dans leur état d’origine.

Travaillant avec des chaînes de jusqu’à 11 qubits de données, les chercheurs de Google ont maintenant pu préserver un qubit logique pendant un temps qui augmente de façon exponentielle avec le nombre de qubits physiques, ils rapportent aujourd’hui dans Nature. En répartissant l’état d’un seul qubit sur jusqu’à 11 qubits de données, ils ont réduit les risques d’erreur après 50 microsecondes de 40 % à 0,2 %. D’autres groupes ont démontré des schémas de correction d’erreurs similaires, mais le nouveau travail est le premier à démontrer la suppression exponentielle des erreurs, explique Julian Kelly, physicien chez Google et auteur principal de l’article. Une telle suppression exponentielle suggère que les développeurs pourraient éventuellement être en mesure de maintenir un qubit logique indéfiniment en le répartissant sur environ 1000 qubits physiques.

Pourtant, l’équipe n’est qu’à mi-chemin de la correction complète des erreurs, dit Kelly. D’une part, les chercheurs n’ont pas ramené les qubits physiques retournés à leur état d’origine, comme ils auraient dû le faire dans un ordinateur quantique fonctionnel.

Plus important encore, l’équipe de Google n’a pas pu s’attaquer simultanément aux deux types d’erreurs pouvant affecter les qubits : les inversions de bits, qui échangent les parties 0 et 1 d’un état quantique, et les inversions de phase, qui modifient la façon dont les parties 0 et 1 s’imbriquent mathématiquement. Dans une série donnée, les chercheurs ne pouvaient supprimer qu’un type d’erreur ou l’autre. Pour corriger les deux, ils auraient besoin de passer littéralement dans une autre dimension, dit Kelly, encodant un seul qubit logique non pas dans une chaîne de qubits physiques, mais dans une grille carrée d’entre eux dans un protocole plus complexe appelé code de surface. « Cela a vraiment été notre objectif depuis le premier jour négatif », a déclaré Kelly. « Nous prévoyons d’y arriver dans un avenir relativement proche, date à déterminer. »

Pour obtenir le code de surface, les chercheurs de Google doivent encore améliorer les qubits physiques individuels et réduire leur taux d’erreur de 30 % supplémentaires, soit moins d’un facteur deux, explique Kevin Satzinger, physicien de Google. C’est un chiffre encourageant, dit Kuperberg. « Je suis habitué à ce que des choses comme celle-ci soient décuplées par un facteur 10 », dit-il. « Je ne m’attends pas à ce que ce genre de facteur de deux soit un mur de briques. »