Quantinuum franchit un cap « improbable » en informatique quantique avec Helios

Des avancées significatives ont été réalisées dans le domaine de l’informatique quantique, notamment grâce à la recherche menée par Quantinuum.

Dans l’univers quantique, un moment crucial désigné par les physiciens comme le point de bascule marque l’instant où un qubit protégé par des mécanismes de correction d’erreurs devient véritablement plus fiable qu’un qubit exposé au bruit. Pendant un long moment, ce seuil a été considéré comme une simple hypothèse théorique.

Cependant, au cours de cette semaine, des scientifiques de la société britannique Quantinuum ont publié une étude démontrant qu’ils avaient franchi cette étape. En utilisant leur processeur Helios, ils ont exécuté des calculs impliquant jusqu’à 94 qubits logiques encodés, obtenant systématiquement des résultats de fidélité supérieurs à ceux des opérations physiques non protégées.

Vous vous sentez perdu dans ces termes techniques ? Ne vous inquiétez pas, nous vous expliquerons ce que cela signifie pour l’avenir de l’informatique quantique.

Lire en complément: Mise en place de Godzilla, un robot de 36 tonnes, dans le réacteur de fusion ITER

Une première historique pour Quantinuum : atteindre le point de bascule quantique

Les défis de la correction d’erreurs en informatique quantique

Un qubit physique est particulièrement vulnérable. Il interagit avec son environnement et accumule facilement des erreurs. Pour remédier à cela, il est nécessaire d’encoder l’information d’un qubit logique à l’intérieur de plusieurs qubits physiques.

Le principal obstacle réside dans le fait que chaque opération supplémentaire peut engendrer du bruit. Ainsi, il arrive que la correction d’erreurs mène à une situation où elle génère davantage d’erreurs qu’elle n’en élimine !

Le point de bascule est le moment où la protection d’un qubit via un système de correction d’erreurs devient véritablement bénéfique. Avant ce stade, les efforts déployés pour corriger les erreurs peuvent ne pas surpasser ceux d’un qubit laissé non protégé.

L’étude en question révèle que leur méthode réduit le taux d’erreur à environ 0,00004 par cycle, tandis qu’un qubit non protégé affiche une erreur d’environ 0,00011 sur la même période.

Autrement dit, le qubit « protégé » commet presque trois fois moins d’erreurs qu’un qubit brut. Dès lors, la protection ne relève plus d’un simple pari théorique, elle améliore effectivement la fiabilité des calculs.

Helios : un processeur conçu pour la correction d’erreurs

Les expériences ont été menées sur Helios, un ordinateur quantique exploitant 98 ions piégés comme qubits. Concrètement, chaque qubit est un atome chargé maintenu en lévitation par des champs électromagnétiques, semblable à une bille invisible parfaitement figée dans le vide.

L’architecture QCCD permet de déplacer ces ions au sein de l’appareil et de les faire interagir avec presque n’importe quel autre ion. Cet atout est significatif, car certains systèmes quantiques limitent les interactions aux qubits voisins immédiats.

Étant donné que certains codes de correction d’erreurs requièrent une communication entre qubits distants, cette contrainte complique la situation sur d’autres plateformes. Sur Helios, cette flexibilité est intégrée naturellement, facilitant ainsi l’implémentation des codes utilisés.

Les chercheurs ont opté pour des codes appelés « iceberg », qui permettent de protéger un grand nombre de qubits logiques sans nécessiter un nombre exorbitant de qubits physiques. En empilant deux niveaux de protection, semblables à deux couches de filet de sécurité, ils réussissent à corriger les erreurs tout en maintenant une efficacité.

Des résultats au-delà d’un seul test

Les chercheurs ont testé leur système sur plusieurs exercices, vérifiant les éléments fondamentaux de tout calcul quantique : préparer un état, l’altérer avec des portes logiques, puis le mesurer.

Lors de la préparation et de la mesure, les versions protégées sont au moins dix fois plus fiables que les versions non protégées.

Il en va de même pour les portes logiques, y compris celles qui interagissent entre deux qubits. Une porte protégée affiche une erreur d’environ 0,0001, tandis qu’une porte physique traditionnelle se situe autour de 0,0008. Bien que cela puisse sembler minime, lorsque l’on enchaîne des centaines ou des milliers d’opérations, la différence devient considérable.

Encore plus impressionnant : lors d’expériences impliquant 48 qubits logiques protégés, aucune erreur logique n’a été relevée sur des milliers d’essais. À ce stade, il ne s’agit plus simplement d’un effet statistique. On commence à envisager une fiabilité opérationnelle pour des calculs réels !

Une application concrète : la simulation d’un modèle quantique

Pour démontrer que leur recherche ne se limite pas à des tests théoriques, les chercheurs ont appliqué leur méthode à un problème physique concret. Ils ont simulé un modèle appelé XY tridimensionnel, utilisé pour analyser le comportement collectif de particules dans certains matériaux.

Cette fois, ils ont exploité 64 qubits logiques protégés. Résultat : l’erreur moyenne par opération a chuté d’environ 30 % par rapport à une simulation réalisée sans protection.

Évidemment, la protection des qubits exige un peu plus d’exécutions pour obtenir un résultat précis. Cependant, ce surcoût a été maintenu à un niveau raisonnable grâce à des techniques de tri des données qui excluent les résultats manifestement erronés.

En résumé, la correction d’erreurs ne se limite pas à embellir des graphiques. Elle améliore déjà la précision des calculs en physique !

Un pas vers le calcul quantique tolérant aux fautes

Cette recherche ne signifie pas que le calcul quantique universel, complètement tolérant aux fautes, est à portée de main. Toutefois, elle prouve que l’encodage logique peut optimiser les performances dès aujourd’hui, sur des machines déjà existantes.

Cette démarche repose également sur une collaboration étroite entre le matériel et les protocoles. Les routines de correction ont été ajustées pour maximiser les capacités du processeur Helios, notamment en termes de connectivité et de contrôle en temps réel.

Cette synergie entre l’architecture physique et la théorie des codes pourrait s’avérer être l’un des leviers majeurs dans les années à venir !