Notre technologie

Pourquoi construire un ordinateur à partir de systèmes quantiques?

Contrairement à son homologue classique, un ordinateur quantique utilise des bits quantiques pour calculer. Un bit quantique (qubit) est un système physique qui a deux états distincts notés |0\rangle et |1\rangle, tout comme un bit classique, mais avec la propriété cruciale que ces deux états peuvent être placés dans une superposition quantique. Dans les années 80, les physiciens ont commencé à se demander ce que l’on pouvait gagner avec cette fonctionnalité intrigante. Ils ont développé le concept d’un ordinateur quantique et se sont rendu compte qu’il pouvait être extrêmement efficace pour résoudre des problèmes de chimie ou certains types de problèmes tels que la factorisation des nombres premiers. Quarante ans plus tard, les ordinateurs quantiques attirent de plus en plus l’attention alors que nous sommes sur le point d’exploiter leur puissance de calcul exponentielle.

Que peut faire un ordinateur quantique
pour vous et votre entreprise?

Les ordinateurs quantiques sont bien adaptés à un ensemble spécifique de tâches qui sont notoirement difficiles pour les ordinateurs classiques, telles que des problèmes d’optimisation et d’algèbre linéaire très volumineux ou des simulations chimiques.

Bien sûr, vous n’utiliserez jamais un ordinateur quantique pour faire une simple multiplication, ce serait comme essayer de couper du beurre avec un sabre laser: ce n’est pas seulement exagéré, c’est très inefficace.

Si votre entreprise repose sur des problèmes d’optimisation, ce qui est le cas de presque toutes les entreprises, l’utilisation de l’informatique quantique peut vous donner un avantage décisif. Que vous optimisiez un portefeuille financier ou que vous conceviez un vaisseau spatial, vous êtes confronté à un problème dont la complexité augmente très rapidement avec le nombre de variables. Les ordinateurs quantiques peuvent vous aider à trouver la solution optimale et à vous démarquer de vos concurrents grâce à des stratégies originales.

Si vous travaillez avec l’apprentissage en profondeur ou des simulations de mécanique des fluides complexes, alors vous essayez de résoudre des problèmes d’algèbre linéaire à grande échelle. Pensez à la façon dont une accélération exponentielle changerait votre champ de possibilités. 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, les ordinateurs quantiques amélioreront considérablement les capacités de conception des ingénieurs et seront à l’origine d’une révolution mondiale de l’ingénierie. Vos concurrents ne manqueront pas la cible. Prenez une longueur d’avance en y réfléchissant dès maintenant!

Pour nous, l’impact le plus excitant des ordinateurs quantiques sera dans le domaine des simulations chimiques et les possibilités sans précédent qu’elles pourraient ouvrir. En effet, même si l’on connaît parfaitement les règles régissant les molécules et les matériaux, il est presque toujours impossible de prédire exactement le comportement d’une molécule ou d’un matériau. Cela vient du fait que ces derniers sont régis par la mécanique quantique et qu’il faut une machine quantique pour le résoudre précisément. Imaginez maintenant les possibilités ouvertes dès que la conception des matériaux et des médicaments devient un problème d’ingénierie au lieu d’une science empirique. Cela pourrait très bien être le début d’une nouvelle ère pour l’humanité. Mais pour cela, nous avons besoin d’un ordinateur quantique très fiable.

DÉFI PRINCIPAL

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

Pourquoi est-ce difficile?

Le principal défi dans la construction d’un ordinateur quantique vient des caractéristiques exotiques de la mécanique quantique qui sont extrêmement sensibles. 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 et est donc dans une superposition quantique de vivant et de mort. Lorsque la boîte est ouverte, le chat superposé s’effondre au hasard dans l’un des deux états possibles, mort ou 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 signifie donc 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.

 

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Theau Peronnin

décohérence

The only error intrinsically
tied to quantum systems is
the phase-flip

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 et 1.

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 pointe de l’iceberg d’une nouvelle génération de bits quantiques, élégamment conçus pour être intrinsèquement résistants aux erreurs et scalable. Même s’ils ne sont 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 craquage 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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