Chirurgie pour bits quantiques

Si les ordinateurs quantiques promettent des applications passionnantes à l’avenir, ils continuent pour l’instant d’occuper les physiciens et les ingénieurs en leur réservant toute une série de défis et d’énigmes. L’une des difficultés relève de la décohérence et des erreurs qui en résultent: les inversions de bits et de phases. Ces erreurs signifient que l’unité logique d’un ordinateur quantique, appelée qubit, peut changer son statut de 0 à 1 de manière soudaine et imprévisible ou que la phase relative d’un état de superposition peut s’inverser et devenir négative alors qu’elle était positive. 

Ces erreurs peuvent être évitées en construisant un qubit logique à partir de nombreux qubits physiques et en appliquant constamment des protocoles de correction d’erreurs. Cette approche permet de stocker les informations quantiques durablement et de manière relativement sûre. Arrive toutefois le moment où il devient nécessaire d’extraire les qubits du mode de stockage pour en faire quelque chose d’utile, comme l’application d’une porte quantique, l’élément constitutif des algorithmes quantiques.

Les scientifiques de l’Institut Paul Scherrer PSI, de l’ETH Zurich, de l’Université RWTH d’Aachen et du centre de recherche Jülich ont démontré une technique qui permet d’effectuer une opération quantique entre des qubits logiques supraconducteurs tout en corrigeant les erreurs potentielles survenant pendant l’opération. Leurs résultats viennent d’être publiés dans la revue spécialisée Nature Physics.

La correction d’erreurs quantiques est très différente de la correction d’erreurs classiques. Pour ces dernières, il est possible de faire plusieurs copies identiques d’un bit et de les lire après un certain temps: si un bit a basculé, un vote majoritaire révèle quel bit est le plus susceptible d’avoir été renversé; sa valeur d’origine peut alors être restaurée. «Les choses sont bien plus compliquées avec les qubits», affirme Ilya Besedin, chercheur en postdoctorat et co-auteur principal de l’étude avec Michael Kerschbaum, doctorant. Une difficulté est que l’information quantique ne peut pas simplement être copiée ou «clonée»: il faut plutôt créer des états intriqués de plusieurs qubits. Pour compliquer davantage les choses, les erreurs d’inversion de phases – qui n’existent pas dans le calcul classique – doivent également être corrigées.

Correction des erreurs avec les codes de surface 

Pour s’assurer que les inversions de bits et de phases sont corrigées, une solution est d’utiliser des codes dits de surface. Dans ceux-ci, l’état d’un qubit est stocké dans plusieurs qubits de données physiques. La correction des erreurs est réalisée en mesurant de manière répétée les états quantiques des stabilisateurs, qui constituent le qubit logique avec les qubits de données. Les stabilisateurs sont mesurés à l’aide de qubits supplémentaires qui sont connectés aux qubits de données de telle sorte que leur lecture révèle tout changement – en valeur binaire (stabilisateur de type Z) ou en phase (stabilisateur de type X) – entre les mesures, permettant ainsi leur correction. Les qubits de données, en revanche, ne sont jamais lus: ils stockent l’état du qubit corrigé.

La situation change lorsqu’il s’agit d’effectuer une opération logique quantique, telle qu’une porte NOT contrôlée, entre deux qubits logiques. Il faut notamment corriger les erreurs qui surviennent pendant l’opération. «Il serait relativement facile d’effectuer une opération logique de cette manière, c’est-à-dire tolérante aux erreurs, si nous pouvions déplacer nos qubits et les connecter arbitrairement les uns aux autres», explique Michael Kerschbaum. Cependant, dans les réseaux bidimensionnels de qubits supraconducteurs, les qubits sont fixes dans l’espace, et seuls les qubits proches les uns des autres peuvent être connectés et interagir entre eux.

Division au bistouri

 «La chirurgie de réseau est un moyen de contourner cette contrainte», explique Michael Kerschbaum. Dans le cadre de l’expérience réalisée avec ses collègues, il a d’abord procédé à la correction d’erreurs sur un seul qubit logique codé par dix-sept qubits physiques. Les qubits de données et les stabilisateurs étaient disposés de manière à former un carré approximatif. Pendant quelques cycles, les chercheurs ont lu les stabilisateurs toutes les 1,66 microseconde, effectuant une correction d’erreurs par inversion de bits et de phases.

Lorsque le moment de l’opération est venu, trois qubits de données situés au milieu du carré ont été lus, divisant ainsi le carré du code de surface en deux moitiés. De plus, la lecture des stabilisateurs de type X a été interrompue. «En fin de compte, cette opération nous a donné deux qubits logiques intriqués», explique Ilya Besedin. Pendant l’opération, les erreurs d’inversion de bits ont été corrigées; ensuite, la correction des erreurs d’inversion a pu se poursuivre sur les deux moitiés obtenues lors de la division.

Cette opération n’est pas encore une porte NOT contrôlée, mais elle peut être transformée pour le devenir grâce à une série de divisions de ce type associées à des opérations de fusion. 

«On pourrait dire que l’opération de chirurgie du réseau est l’opération fondamentale, et que toutes les autres peuvent être construites à partir d’elle», explique Ilya Besedin. «À notre connaissance, c’est la première fois que la chirurgie de réseau est pratiquée sur des qubits supraconducteurs», ajoute-t-il. «Et nous avons encore du chemin à parcourir.»

Par exemple, 41 qubits physiques seraient nécessaires pour stabiliser l’opération de division d’un qubit logique face aux inversions de phases. Néanmoins, cette démonstration de chirurgie de réseau sur des qubits supraconducteurs marque une étape importante vers l’objectif ambitieux de construire des ordinateurs quantiques utiles avec des milliers de qubits.