Le chat de Schrödinger améliore les qubits

L’informatique quantique reprend les principes de la mécanique quantique pour coder et élaborer des données, ce qui signifie qu’elle pourrait un jour résoudre des problèmes de calcul qui sont insolubles avec les ordinateurs actuels. Alors que ces derniers fonctionnent avec des bits, qui représentent soit un 0, soit un 1, les ordinateurs quantiques utilisent des bits quantiques ou qubits – les unités fondamentales de l’information quantique.

«Avec des applications allant de la découverte de médicaments à l’optimisation et à la simulation de systèmes et matériaux biologiques complexes, l’informatique quantique a le potentiel de modifier de vastes domaines de la science, de l’industrie et de la société», déclare Vincenzo Savona, directeur du Centre pour les sciences et l’ingénierie quantiques de l’EPFL.

Contrairement aux bits classiques, les qubits peuvent exister dans une «superposition» d’états 0 et 1 en même temps. Ainsi, les ordinateurs quantiques peuvent explorer plusieurs solutions simultanément, ce qui pourrait les rendre beaucoup plus rapides pour certaines tâches de calcul. Mais les systèmes quantiques sont sensibles aux erreurs causées par les interactions avec leur environnement.

«L’élaboration de stratégies visant à protéger les qubits ou à détecter et corriger les erreurs une fois qu’elles se sont produites est indispensable pour permettre le développement d’ordinateurs quantiques à grande échelle et insensibles aux erreurs», ajoute Vincenzo Savona. En collaboration avec Luca Gravina et Fabrizio Minganti, physiciens de l’EPFL, ce dernier a accompli une avancée significative en proposant un «code de chat de Schrödinger critique» pour une meilleure résistance aux erreurs. L’étude présente un nouveau schéma de codage qui pourrait révolutionner la fiabilité des ordinateurs quantiques.

...nous avons développé un système qui surpasse ses prédécesseurs, ce qui représente une avancée significative pour les qubits de chat et l’ensemble de l’informatique quantique.

Qu’est-ce qu’un «code de chat de Schrödinger critique»?

En 1935, le physicien Erwin Schrödinger propose une expérience de pensée pour réfuter l’interprétation, alors en vigueur, de la mécanique quantique: l’interprétation de Copenhague. Dans l’expérience de Schrödinger, un chat est placé dans une boîte fermée avec une fiole de poison et une source radioactive. Si un seul atome de la source radioactive se désintègre, la radioactivité est détectée par un compteur Geiger, qui explose alors la fiole. Le poison est libéré, tuant le chat.

Selon l’interprétation de Copenhague de la mécanique quantique, si l’atome est initialement dans une superposition de deux états, le chat le sera également et se retrouvera en même temps dans les états mort et vivant. «Cet état représente exactement la notion de bit quantique, réalisée à l’échelle macroscopique», affirme Vincenzo Savona.

Ces dernières années, les scientifiques ont puisé leur inspiration dans le chat de Schrödinger pour créer une technique de codage appelée «code de chat de Schrödinger». Ici, les états 0 et 1 du qubit sont codés sur deux phases opposées d’un champ électromagnétique oscillant dans une cavité résonnante, de la même manière que les états mort et vivant du chat.

«Les codes de chat de Schrödinger ont été réalisés dans le passé en utilisant deux approches distinctes, explique Vincenzo Savona. L’une exploite les effets anharmoniques dans la cavité, l’autre s’appuie sur des pertes de cavité soigneusement étudiées. Dans notre travail, nous avons combiné les deux, en gardant le meilleur des deux approches. Bien qu’elle ait été considérée auparavant comme inefficace, cette combinaison des approches permet d’améliorer les capacités de suppression des erreurs.» L’idée de base est d’opérer à proximité du point critique d’une transition de phase, ce à quoi fait référence la partie «critique» du code de chat critique.

Le code de chat critique présente un avantage supplémentaire: une résistance exceptionnelle aux erreurs résultant de déplacements de fréquence aléatoires, qui posent souvent des problèmes importants pour les opérations impliquant plusieurs qubits. Cela résout un problème majeur et ouvre la voie à la conception de dispositifs comportant plusieurs qubits interagissant mutuellement, ce qui constitue l’exigence minimale pour fabriquer un ordinateur quantique.

«Nous apprivoisons le chat quantique, confie Vincenzo Savona. En combinant deux approches, nous avons développé un système qui surpasse ses prédécesseurs, ce qui représente une avancée significative pour les qubits de chat et l’ensemble de l’informatique quantique.» Cette étude est une étape importante dans la conception d’ordinateurs quantiques plus performants et témoigne de la volonté de l’EPFL de faire progresser le domaine de la science quantique et de révéler le potentiel des technologies quantiques.