Pour construire un ordinateur quantique universel à partir de composants quantiques fragiles, la mise en œuvre efficace de la correction d'erreur quantique (QEC) est une exigence essentielle et un défi central. QEC est utilisé en informatique quantique, qui a le potentiel de résoudre des problèmes scientifiques au-delà de la portée des supercalculateurs, pour protéger les informations quantiques des erreurs dues à divers bruits.

Publié par la revue La nature , recherche co-écrite par Chen Wang, physicien de l'Université du Massachusetts à Amherst, les étudiants diplômés Jeffrey Gertler et Shruti Shirol, et le chercheur postdoctoral Juliang Li fait un pas vers la construction d'un ordinateur quantique tolérant aux pannes. Ils ont réalisé un nouveau type de QEC où les erreurs quantiques sont spontanément corrigées.

Les ordinateurs d'aujourd'hui sont construits avec des transistors représentant des bits classiques (0 ou 1). L'informatique quantique est un nouveau paradigme passionnant de calcul utilisant des bits quantiques (qubits) où la superposition quantique peut être exploitée pour des gains exponentiels de puissance de traitement. L'informatique quantique tolérante aux pannes peut faire énormément progresser la découverte de nouveaux matériaux, intelligence artificielle, génie biochimique et de nombreuses autres disciplines.

Les qubits étant intrinsèquement fragiles, le défi le plus remarquable de la construction d'ordinateurs quantiques aussi puissants est la mise en œuvre efficace de la correction d'erreur quantique. Les démonstrations existantes de QEC sont actives, ce qui signifie qu'ils nécessitent de vérifier périodiquement les erreurs et de les corriger immédiatement, ce qui est très gourmand en ressources matérielles et entrave donc la mise à l'échelle des ordinateurs quantiques.

En revanche, l'expérience des chercheurs réalise une QEC passive en adaptant la friction (ou la dissipation) subie par le qubit. Parce que la friction est communément considérée comme l'ennemi juré de la cohérence quantique, ce résultat peut paraître assez surprenant. L'astuce est que la dissipation doit être conçue spécifiquement de manière quantique. Cette stratégie générale est connue en théorie depuis environ deux décennies, mais un moyen pratique d'obtenir une telle dissipation et de l'utiliser pour QEC a été un défi.

« Bien que notre expérience soit encore une démonstration assez rudimentaire, nous avons enfin rempli cette possibilité théorique contre-intuitive de QEC dissipative, " dit Chen. " Dans l'attente, l'implication est qu'il peut y avoir plus de moyens de protéger nos qubits des erreurs et de le faire à moindre coût. Par conséquent, cette expérience ouvre la voie à la construction potentielle d'un ordinateur quantique tolérant aux pannes utile à moyen et long terme. »

Chen décrit en termes simples à quel point le monde quantique peut être étrange. "Comme dans l'exemple célèbre (ou infâme) du physicien allemand Erwin Schrödinger, un chat emballé dans une boîte fermée peut être mort ou vivant en même temps. Chaque qubit logique de notre processeur quantique ressemble beaucoup au chat d'un mini-Schrödinger. En réalité, nous l'appelons littéralement un "cat qubit". Avoir beaucoup de ces chats peut nous aider à résoudre certains des problèmes les plus difficiles au monde.

"Malheureusement, il est très difficile de garder un chat ainsi car tout gaz, léger, ou tout ce qui fuit dans la boîte détruira la magie :le chat deviendra soit mort, soit juste un chat vivant ordinaire, " explique Chen. " La stratégie la plus simple pour protéger un chat de Schrödinger est de rendre la boîte aussi serrée que possible, mais cela rend également plus difficile son utilisation pour le calcul. Ce que nous venons de démontrer s'apparente à peindre l'intérieur de la boîte d'une manière spéciale et cela aide en quelque sorte le chat à mieux survivre aux dommages inévitables du monde extérieur."