Un processeur quantique passe du chaos à l'ordre grâce à des contrôles répétés
Des chercheurs aux États-Unis ont montré, sur un processeur IBM Quantum Heron de 156 qubits, que des contrôles et des réinitialisations répétés peuvent maîtriser le chaos, un mécanisme nécessaire aux ordinateurs quantiques tolérants aux pannes. L'étude, publiée dans Nature Physics, montre en partie comment la correction d'erreurs en temps réel pourrait fonctionner. La tolérance aux pannes consiste à repérer et à corriger les erreurs pendant que l'ordinateur poursuit encore ses calculs.
Pourquoi la correction d'erreurs est essentielle
Les ordinateurs quantiques actuels sont des prototypes limités, de petite taille. Les qubits, unités de base des ordinateurs quantiques, peuvent valoir 1, 0 ou toute valeur intermédiaire (une superposition) jusqu'à leur mesure. C'est de là que vient le gain exponentiel de puissance de calcul. Mais les qubits sont aussi très fragiles et facilement perturbés par la chaleur ou le mouvement, d'où l'importance de la correction d'erreurs.
« Pour construire un ordinateur quantique tolérant aux pannes, nous devons effectuer ces contrôles et ces corrections non pas une ou deux fois, mais un très grand nombre de fois au cours d'un calcul », explique le physicien Jedediah Pixley, de l'université Rutgers. « Cette expérience est un jalon sur cette route. »
Brouiller contre contrôler
L'équipe a utilisé un système en deux étapes conçu à la fois pour introduire du chaos et pour le corriger ensuite. Elle a relié jusqu'à 100 qubits à la fois et mis en place deux tâches alternées : le brouillage (scrambling), qui répand le chaos dans le système, et le contrôle, qui réinitialise les qubits si nécessaire.
« Le défi n'était pas simplement de mesurer un qubit, mais de le faire de façon répétée pendant que le reste du processeur continuait à fonctionner », déclare la physicienne d'IBM Maika Takita. « Cette expérience montre que le matériel actuel peut coordonner des opérations quantiques, des mesures et des réinitialisations des milliers de fois sur un grand système. »
Un point de bascule net
Les chercheurs ont déplacé l'équilibre entre brouillage et réinitialisation. Sur près de 5 000 opérations de qubits et presque 5 000 contrôles et réinitialisations, l'ordre est revenu lorsque les contrôles et les réinitialisations représentaient plus de la moitié des opérations au total. À mesure que des qubits étaient ajoutés, le point de bascule se précisait dans les données, preuve d'une véritable transition de phase quantique, comme l'eau qui se change en glace de façon unifiée.
« L'accord entre l'expérience et la théorie a montré qu'il ne s'agissait pas d'une particularité accidentelle d'un petit circuit. C'était un comportement collectif émergeant dans tout le système quantique », déclare Haining Pan, de l'université de Floride. Justin Wilson, de l'université d'État de Louisiane, ajoute : « Il n'était pas évident que cette transition entre chaos et contrôle survive en physique quantique, mais nos résultats montrent que c'est le cas. »
Les auteurs notent que le schéma de contrôle et de réinitialisation devra être étendu avec des règles plus complexes pour être utile dans l'informatique quantique réelle. Pour l'instant, il sert de test de résistance pour les boucles de rétroaction qui font fonctionner les systèmes quantiques de manière ordonnée. Plus dans notre rubrique technologie.