Notre technologie

Pourquoi construire un ordinateur à partir de systèmes quantiques ?

Contrairement à son homologue classique, un ordinateur quantique utilise des bits quantiques pour effectuer ses calculs. Un bit quantique ou qubit est un système physique à deux états notés $|0\rangle$ et $|1\rangle$ , tout comme un bit classique, mais avec une propriété cruciale: ces deux états peuvent être placés dans une superposition quantique. Dans les années 80, les physiciens se sont demandé quel intérêt pouvait avoir cette fascinante propriété… Ils ont alors développé le concept d’un ordinateur quantique et ont réalisé que ce dernier pouvait être extrêmement efficace pour résoudre des structures chimiques ou factoriser des nombres premiers. Quarante ans plus tard, alors que nous sommes sur le point d’exploiter leur puissance de calculs exponentielle, les ordinateurs quantiques sont au centre de l’attention et captivent.

Qu’est-ce qu’un ordinateur quantique peut apporter à votre entreprise ?

Les ordinateurs quantiques sont adaptés à la résolution de tâches spécifiques connues pour être trop complexes pour un ordinateur classique, tels que des problèmes d’optimisation ou d’algèbre linéaire de grande dimension.

Bien sûr, vous n’utiliserez jamais un ordinateur quantique pour effectuer une simple multiplication. Ce serait comme essayer de couper du beurre avec un sabre laser : non seulement c’est disproportionné, mais c’est aussi très inefficace.

Si vous résolvez des problèmes d’optimisation, ce qui est le cas de beaucoup d’entreprises, alors l’informatique quantique peut vous apporter un avantage concurrentiel significatif. Que vous optimisiez un portefeuille financier ou que vous conceviez un vaisseau spatial, vous êtes confronté à un problème dont la complexité augmente aussi rapidement que le nombre de variables. Un ordinateur quantique peut vous propulser vers la solution optimale et vous démarquer de vos concurrents d’une manière inédite.

Vous faites du Deep Learning ou des simulations complexes de mécanique des fluides ? Imaginez comment augmenter exponentiellement votre vitesse de calcul pourrait drastiquement élargir votre champ des possibles ! L’algorithme quantique HHL exploite la puissance des ordinateurs quantiques pour repenser la façon dont nous résolvons l’algèbre linéaire. Tout comme les ordinateurs classiques des années 60 et 70 en leur temps, les ordinateurs quantiques amélioreront considérablement les capacités de conception des ingénieurs et seront à l’origine d’une révolution technologique mondiale. Et si vous preniez une longueur d’avance sur vos concurrents en vous y plongeant dès à présent ?

Selon nous, la simulation numérique de matériaux ou de structure moléculaire est le domaine d’application le plus intéressant. L’informatique quantique y laisse entrevoir un monde de possibilités à impact significatif. Ainsi, même si l’on connaît parfaitement les règles qui régissent les molécules et les matériaux, il est presque toujours impossible de prédire exactement les propriétés de ces derniers. Celles-ci découlent de la mécanique quantique et seul un ordinateur quantique peut les révéler précisément. Selon vous, à quoi le monde ressemblera lorsque la conception des matériaux et des médicaments deviendra un problème d’ingénierie et non plus une science empirique ? Chez Alice & Bob nous pensons que cela signe le début d’une nouvelle ère pour l’humanité, à condition d’avoir un ordinateur quantique fiable pour y accéder !

DÉFI PRINCIPAL

L’exemple de l'expérience de pensée du chat de Schrödinger

Pourquoi est-ce difficile?

Le principal défi que pose la construction d’un ordinateur quantique est l’extrême sensibilité des propriétés exotiques de la mécanique quantique. Elles disparaissent dans un processus connu sous le nom de décohérence en raison d’interactions indésirables avec notre monde classique.

Prenons l’exemple de l’expérience de pensée du chat de Schrödinger : un chat est placé dans une boîte scellée dans une superposition quantique de l’état vivant ou mort. Lorsque la boîte est ouverte, le chat superposé s’effondre au hasard dans l’un des deux états possibles : soit mort, soit vivant. C’est l’interaction du chat avec notre monde classique qui a détruit l’aspect quantique de l’état du chat.

Construire un ordinateur quantique implique donc de concevoir une boîte isolée dans laquelle nous exécutons des algorithmes quantiques. Mais, pour pouvoir les exécuter, l’ordinateur doit être contrôlable. D’où le principal paradoxe de cette quête extraordinaire : isoler une partie de notre univers tout en le contrôlant en même temps.

Nous développons une équipe passionnée et diversifiée de personnes collaboratives et créatives.

Nous croyons en la poursuite d’un travail intègre, innovant et stimulant, aux côtés des membres de notre équipe avec lesquels nous pouvons apprendre et grandir.

Theau Peronnin

décohérence

La seule erreur intrinsèquement
liée aux systèmes quantiques
est le "phase-flip"
ou basculement de phase

Notre Philosophie

La décohérence conduit à des erreurs lors du calcul. Plus précisément, elle change aléatoirement la phase des superpositions quantiques induisant des erreurs appelées inversions de phase. Les bits quantiques souffrent également d’une erreur «classique», le bit-flip qui permute aléatoirement $|0\rangle$ et $|1\rangle$ .

Étonnamment, le taux de basculement des bits dans les systèmes quantiques est de plusieurs ordres de grandeur supérieur au cas des systèmes classiques. Il n’y a pas de raison fondamentale à une telle divergence: la seule erreur intrinsèquement liée aux systèmes quantiques est le basculement de phase. Nous avons conçu un bit quantique pionnier, le qubit de chat, qui est probablement aussi insensible aux retournements de bits qu’un bit classique tout en restant à la fois cohérent et contrôlable. De cette façon, seules les inversions de phase doivent être activement corrigées. Ce qubit simplifie donc considérablement la conception de l’ordinateur quantique idéal.

Les qubits de chat ne sont que la partie émergée de l’iceberg d’une nouvelle génération de bits quantiques, élégamment conçus pour être intrinsèquement résistants aux erreurs et scalable. Même s’il n’est peut-être pas la solution miracle, le qubit de chat devrait déjà permettre la conception d’ordinateurs quantiques avec des taux d’erreur si bas que la plupart des applications envisagées seront à notre portée.

Pour les experts

Nous travaillons avec des circuits supraconducteurs qui sont l’une des plates-formes les plus prometteuses pour construire un ordinateur quantique. Ils offrent des performances de pointe avec un contrôle précis et une flexibilité de conception unique.

Parmi les circuits supraconducteurs mettant en œuvre des qubits, un en particulier, le transmon, a retenu le plus l’attention et a été choisi par de nombreux acteurs. Par nature, il a de longs temps de cohérence et est facile à fabriquer et à manipuler, ce qui en fait un candidat de choix. Cependant, malgré des progrès continus au cours des 10 dernières années, l’amélioration de son taux d’erreur s’est ralentie, ce qui rend nécessaire une correction d’erreur quantique active afin de progresser encore.

Parmi les nombreuses stratégies de correction d’erreur quantique, le code de surface a été le plus étudié théoriquement. Cependant, il reste très difficile à mettre en œuvre en raison du grand nombre de qubits requis. En bref, le code de surface a besoin d’un tableau 2D de qubits pour effectuer une correction d’erreur quantique. Les deux dimensions sont nécessaires pour corriger les deux types d’erreur: les retournements de bits et les inversions de phase. On peut déjà imaginer comment on pourrait gagner en utilisant un qubit avec un seul type d’erreur.

Le qubit de chat, tout comme beaucoup d’autres codes bosoniques (GKP, binomial) réduit le matériel requis pour la correction d’erreur en exploitant le grand espace de Hilbert d’un oscillateur harmonique. Avec le même nombre de systèmes physiques, les codes bosoniques sont capables de délocaliser les informations quantiques sur plus d’états, obtenant le même niveau de protection avec moins de systèmes physiques, une propriété connue sous le nom d ‘«efficacité matérielle». Cet espace de dimension infinie devrait être capable de stabiliser deux états particuliers, dans lesquels l’information quantique est encodée. Avec le qubit de chat, il est possible de le faire de manière autonome. Plus précisément, nous avons réalisé une dynamique simple capable de stabiliser deux états cohérents d’amplitude $\alpha$ et de phase opposée dans un oscillateur harmonique. Cette stabilisation réduit la probabilité de retournement de bits (passant de $+\alpha$ à $-\alpha$ ) exponentiellement dans $\alpha^2$ tout en n’augmentant que linéairement le taux de basculement de phase (probabilité de perdre $1$ photon). Pour corriger l’erreur restante, un code de répétition linéaire peut être utilisé pour atteindre un taux d’erreur suffisamment petit pour la plupart des applications impactantes (du décryptage de RSA à la conception de médicaments de novo).

Comment se fait cette stabilisation? Classiquement, nous concevons un système piloté non linéaire qui présente une génération de sous-harmoniques. En particulier, grâce au doublement de la période, nous pouvons générer deux états stationnaires qui sont stables. De manière quantique, nous faisons en sorte qu’un résonateur micro-ondes échange des photons par paire avec son environnement. Lorsqu’il est piloté, ce système a deux états stationnaires, les états cohérents $|\alpha\rangle$ et $|-\alpha\rangle$ qui ne diffèrent que par une phase $\pi$ .

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Exponential suppression of bit-flips in a qubit encoded in an oscillator

Repetition cat qubit for Fault-Tolerant Quantum Computation