Caltech augmente le nombre de qubits à atomes neutres à 6 100 avec des pinces optiques

Cela fait environ quatre décennies que les pinces optiques ont été développées, et elles continuent de révolutionner la physique, la biologie et la médecine à ce jour.

Les pinces optiques sont un outil remarquable qui peut saisir et déplacer des objets microscopiques, tels que des cellules, des atomes, des molécules et des gouttelettes, sans les toucher. 

Ces outils utilisent des lasers focalisés pour manipuler les objets. En utilisant un faisceau de lumière très focalisé, ils sont capables de maintenir des particules microscopiques et submicroscopiques stables en trois dimensions.

Le faisceau est focalisé par un microscope de haute qualité en un point, créant un « piège optique » qui retient une particule. Cette particule subit des forces composées de lumière diffusée et de forces de gradient dues à son interaction avec la lumière.

Développées par le physicien américain Arthur Ashkin en 1986, qui a reçu le prix Nobel de physique pour cela en 2018, les pinces optiques permettent aux scientifiques d’étudier des bactéries individuelles, une cellule spermatozoïde, des brins d’ADN, l’interaction de particules uniques avec la lumière, et bien plus encore.

Aujourd’hui, ces instruments scientifiques constituent la base de nombreuses expériences de pointe en simulation et en informatique quantique. 

Par exemple, des scientifiques du Département de physique expérimentale et de l’Institut d’optique quantique et d’information quantique (IQOQI) ont récemment ont piégé des atomes d’erbium uniques¹ dans des réseaux de pinces optiques pour la première fois, élargissant l’utilisation de ces outils au-delà des systèmes simples vers des expériences quantiques plus complexes.

Ce type d’expériences, qui piègent des dizaines à centaines de qubits atomiques, ont récemment atteint des réseaux d’environ mille atomes.

Faire évoluer cela à des milliers de qubits atomiques avec de faibles pertes, de longs temps de cohérence et une imagerie haute fidélité, ce qui est essentiel pour progresser dans la correction d’erreurs quantiques, cependant, a été un grand défi.

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Cependant, cela a maintenant été démontré expérimentalement par des chercheurs de Caltech. Ils ont réussi à piéger 6 100 atomes neutres dans environ 12 000 sites à l’aide d’un réseau de pinces optiques. En même temps, ils ont dépassé les performances de pointe pour plusieurs métriques qui sous-tendent le succès de la plateforme, a noté l’équipe.

Les chercheurs ont démontré un temps de cohérence de 12,6(1) secondes, ce qui constitue un record pour les qubits hyperfins dans un réseau de pinces optiques. Durant environ 23 minutes, ils ont atteint un taux de survie d’imagerie record de 99,98952(1)% avec une fidélité d’imagerie supérieure à 99,99%.

Selon l’équipe, ces résultats suggèrent que l’informatique quantique universelle pourrait bientôt devenir une réalité. 

Pourquoi la correction d’erreurs domine la feuille de route de l’informatique quantique

L’informatique quantique a suscité l’intérêt des chercheurs et des entreprises du monde entier. 

Selon les analystes de BofA, le marché de l’informatique quantique devrait atteindre une valorisation d’environ 4 milliards de dollars d’ici le début de la prochaine décennie. 

« La promesse de l’informatique quantique est réelle, » ont déclaré les analystes dans une note aux clients, ajoutant qu’il reste plusieurs obstacles à la croissance de la technologie, et une fois ces obstacles surmontés, « nous prévoyons une inflexion beaucoup plus significative des revenus ».

Les partisans de l’informatique quantique soulignent son potentiel à transformer la finance, la santé, la logistique, la cybersécurité, la science des matériaux et l’intelligence artificielle. 

Cette semaine même, HSBC Holdings a déclaré avoir réalisé une percée mondiale en utilisant l’informatique quantique sur les marchés financiers. La banque basée à Londres a utilisé le processeur quantique Heron d’IBM dans le trading d’obligations, ce qui a entraîné une amélioration de 34 % de la prédiction de la probabilité qu’une obligation se négocie à un certain prix. 

Le traitement quantique a été appliqué à un ensemble anonymisé de données de trading d’obligations européennes, où il a démontré la capacité à améliorer significativement l’efficacité du marché.

Les applications pratiques de la technologie quantique dans d’autres secteurs ne sont pas encore fermement établies, bien que les critiques soutiennent que la révolution des ordinateurs quantiques est non seulement lointaine, mais aussi limitée.

Par exemple, à la fin de l’année dernière, Google a publié une nouvelle puce appelée Willow qu’elle a déclaré marquer une avancée majeure dans le domaine de l’informatique quantique, mais a noté que le benchmark utilisé pour mesurer ses performances n’a « aucune application réelle connue. 

Cependant, McKinsey estime que la valeur du marché de la technologie quantique peut atteindre jusqu’à 100 milliards de dollars en une décennie.

Ces chiffres sont basés sur l’anticipation que certains problèmes ne peuvent pas être résolus par des ordinateurs classiques mais peuvent être facilement traités par des ordinateurs quantiques, nous aidant à comprendre et à manipuler d’autres systèmes quantiques. 

Cependant, actuellement, l’informatique quantique fait face à d’importants défis en termes de décohérence, ce qui rend les qubits fragiles et sujets aux erreurs. Cela, à son tour, rend la tolérance aux fautes coûteuse, mais cruciale pour une informatique quantique fiable.

Qubits ou bits quantiques sont équivalents aux bits des ordinateurs classiques. Mais alors que les bits classiques sont toujours soit un, soit zéro, les bits quantiques peuvent être les deux simultanément jusqu’à ce que leur état soit mesuré, et les états de plusieurs qubits peuvent également être intriqués. 

Ces deux phénomènes, la superposition (la capacité d’un qubit à exister dans plusieurs états simultanément) et l’intrication (la capacité des qubits à être liés et à partager le même état quelle que soit la distance), confèrent aux ordinateurs quantiques des capacités que les ordinateurs classiques n’ont pas.

Cependant, ces deux états sont très fragiles et peuvent être facilement détruits par la moindre interaction avec l’environnement.

Des interférences électromagnétiques aux variations de température, les facteurs environnementaux peuvent faire s’effondrer ces propriétés, entraînant des résultats inexacts. Ainsi, cette fragilité est l’un des plus grands obstacles à une informatique quantique évolutive et puissante, et donc, de nombreuses recherches dans le domaine se concentrent sur la correction d’erreurs quantiques (QEC).

Une des manières dont les chercheurs compensent la fragilité des qubits et corrigent les erreurs est de construire des ordinateurs quantiques avec des qubits supplémentaires et redondants. Cela signifie qu’un ordinateur quantique robuste comportera des centaines de milliers de qubits.

Le réseau d’atomes neutres record de Caltech équilibre quantité et qualité

Dans le but de construire un ordinateur quantique avec de nombreux qubits pour corriger toute erreur, une équipe de chercheurs de Caltech a établi un record en créant le plus grand réseau de qubits jamais assemblé.

Un total de 6 100 qubits à atomes neutres a été confiné dans une grille à l’aide de lasers. Auparavant, ce type de réseau ne contenait que des centaines de qubits.

Publié dans Nature, l’étude intitulée A tweezer array with 6100 highly coherent atomic qubits³ détaille cette étape, qui a utilisé des atomes neutres. 

Les atomes neutres sont des atomes sans charge électrique nette. Ainsi, le nombre de protons est identique à celui des électrons. 

En exploitant leurs niveaux d’énergie internes, les chercheurs peuvent utiliser les atomes neutres comme qubits. Les niveaux d’énergie peuvent être contrôlés et manipulés à l’aide de lasers et de champs magnétiques pour réaliser des opérations spécifiques.

Étant neutres, les atomes n’interagissent pas fortement entre eux, ce qui permet de piéger de grands réseaux d’atomes et de construire des processeurs quantiques à grande échelle. De plus, les atomes neutres présentent de longs temps de cohérence, un autre facteur les rendant bénéfiques pour le calcul quantique.

Mais, bien sûr, il existe des défis en termes de besoin d’un contrôle précis du piégeage, du refroidissement et de la manipulation.

« C’est un moment passionnant pour l’informatique quantique à atomes neutres. Nous pouvons désormais voir une voie vers de grands ordinateurs quantiques corrigés d’erreurs. Les blocs de construction sont en place. »

– Investigateur principal de la recherche, Manuel Endres & professeur de physique à Caltech

Dirigée par les étudiants diplômés de Caltech Hannah Manetsch, Gyohei Nomura et Elie Bataille, l’étude a utilisé des pinces optiques pour piéger des milliers d’atomes de césium (Cs) individuels dans une grille. 

Pour construire le réseau d’atomes, ils ont divisé un faisceau laser en 12 000 pinces, qui ont retenu un total de 6 100 atomes dans une chambre à vide. « Sur l’écran, nous pouvons réellement voir chaque qubit comme un point de lumière », a déclaré Manetsch. « C’est une image saisissante du matériel quantique à grande échelle. »

Bien que l’équipe ait établi un nouveau record d’échelle, cette quantité n’est pas venue au détriment de la qualité, car ils ont même atteint de longs temps de cohérence.

L’équipe a pu maintenir ces qubits en superposition pendant environ 13 secondes, soit environ dix fois plus longtemps que ce que des réseaux similaires avaient atteint auparavant. De plus, ils ont pu manipuler des qubits individuels avec une précision allant jusqu’à 99,98 %.

Selon Nomura:

« Une grande échelle, avec plus d’atomes, est souvent considérée comme se faisant au détriment de la précision, mais nos résultats montrent que nous pouvons faire les deux. Les qubits ne sont pas utiles sans qualité. Maintenant nous avons quantité et qualité. »

De plus, l’équipe a montré qu’elle peut déplacer les atomes de centaines de micromètres (μm) à travers le réseau tout en maintenant la superposition. Pensez-y comme équilibrer un verre d’eau en courant.

« Essayer de retenir un atome tout en le déplaçant, c’est comme essayer de ne pas laisser le verre d’eau se renverser. Essayer de garder également l’atome dans un état de superposition, c’est comme faire attention à ne pas courir trop vite pour que l’eau ne éclabousse. »

– Manetsch

Cette capacité est une caractéristique clé des ordinateurs quantiques à atomes neutres, car elle permet une correction d’erreurs plus efficace comparée aux qubits supraconducteurs.

La recherche montre que les atomes neutres sont un candidat solide pour nous aider à mettre en œuvre la correction d’erreurs quantiques à l’échelle de milliers de qubits physiques, ce qui constitue la prochaine grande avancée du domaine.

« Les ordinateurs quantiques devront encoder l’information d’une manière tolérante aux erreurs, afin que nous puissions réellement effectuer des calculs utiles. Contrairement aux ordinateurs classiques, les qubits ne peuvent pas simplement être copiés en raison du soi‑disant théorème du non‑clonage, ainsi la correction d’erreurs doit s’appuyer sur des stratégies plus subtiles. »

– Bataille

Avec l’état de superposition atteint, qui joue un rôle crucial dans le traitement et le stockage de l’information, l’équipe travaillera maintenant sur l’intrication, pour laquelle ils connecteront les qubits de leur réseau, permettant aux particules de se comporter comme une seule.

En atteignant l’état d’intrication, les ordinateurs quantiques pourront réaliser des calculs quantiques complets et simuler. En exploitant l’intrication, les chercheurs pourront également faire de nouvelles découvertes scientifiques.

« C’est excitant que nous créions des machines pour nous aider à comprendre l’univers d’une manière que seule la mécanique quantique peut nous enseigner. »

– Manetsch

Nouvelles architectures de suppression d’erreurs et résultats d’hyper‑intrication

Endres et son équipe travaillent sur l’informatique quantique depuis longtemps. Il se spécialise dans le contrôle d’atomes uniques à l’aide de pinces optiques afin d’étudier les propriétés fondamentales des systèmes quantiques.

En plus du système quantique record qui contrôle plus de 6 000 atomes individuels, les expériences de son équipe ont conduit à de nouvelles techniques d’effacement des erreurs dans les machines quantiques et à un nouveau dispositif qui peut fournir les horloges les plus précises du monde.

En mai de cette année, ils ont publié une étude⁴ qui aborde le problème du mouvement de tremblement des atomes, ce qui rend difficile le contrôle du système. Ce qu’ils ont fait, c’est qu’ils ont utilisé ce même problème pour encoder l’information quantique.

« Nous montrons que le mouvement atomique, généralement considéré comme une source de bruit indésirable dans les systèmes quantiques, peut être transformé en une force. »

L’auteur principal de l’étude, Adam Shaw

Leur expérience a encodé l’information quantique dans le mouvement des atomes et a conduit à un état d’hyper‑intrication.

Cela signifie que les états électroniques individuels et les états de mouvement des paires d’atomes hyper‑intriqués étaient corrélés. Leur démonstration, la première hyper‑intrication chez des particules massives comme les atomes neutres ou les ions, implique en outre que d’autres caractéristiques pourraient être intriquées simultanément.

« Cela nous permet d’encoder plus d’information quantique par atome, » a déclaré Endres. « Vous obtenez plus d’intrication avec moins de ressources. »

Pour leurs expériences, ils ont refroidi un réseau d’atomes neutres alcalino-terreux individuels piégés à l’intérieur de pinces optiques, démontrant une nouvelle forme de refroidissement via « détection et correction active subséquente des excitations motrices thermiques ».

L’équipe mesure essentiellement le mouvement de chaque atome et, selon le résultat, applique une opération atome par atome.

La technique a fait que les atomes sont presque totalement immobilisés. Les atomes ont ensuite été induits à osciller avec une amplitude de 100 nanomètres, ce qui les a excités en deux oscillations distinctes simultanément, plaçant le mouvement dans un état de superposition.

Les atomes individuels ont ensuite été intriqués avec des atomes partenaires, qui ont été davantage hyper‑intriqués pour corréler le mouvement et les états électroniques des atomes.

« En gros, le but était de repousser les limites de ce que nous pouvions contrôler avec ces atomes. Nous construisons essentiellement une boîte à outils : nous savions comment contrôler les électrons à l’intérieur d’un atome, et nous avons maintenant appris à contrôler le mouvement externe de l’atome dans son ensemble. C’est comme un jouet atomique que vous avez entièrement maîtrisé. »

– Endres

Dans une autre étude de Caltech, une équipe de scientifiques du Caltech Center for Quantum Computing sur le campus de l’université a démontré une nouvelle architecture de puce quantique conçue pour supprimer les erreurs. 

« Pour que les ordinateurs quantiques réussissent, nous avons besoin de taux d’erreur environ un milliard de fois meilleurs qu’aujourd’hui,» a déclaré Oskar Painter, responsable du matériel quantique chez AWS et professeur de physique à Caltech. Bien que les taux d’erreur diminuent, cela se produit à un rythme lent, « environ un facteur de deux tous les deux ans », donc, pour accélérer ce processus, ils développent une nouvelle architecture de puce, bien que ce soit « un premier bloc de construction ».

Les chercheurs utilisent des qubits chat, qui ont considérablement réduit les erreurs de basculement de bit, les erreurs de basculement de phase étant les seules restantes à corriger. Cela signifie que les chercheurs peuvent utiliser un code de répétition. Dans leur nouvelle puce appelée Ocelot, un code de répétition classique signifie qu’il n’est pas nécessaire d’avoir autant de qubits pour corriger les erreurs.

« Nous avons démontré une architecture plus évolutive qui peut réduire le nombre de qubits supplémentaires nécessaires à la correction d’erreurs jusqu’à 90 %. »

– Fernando Brandão, professeur de physique théorique à Caltech et directeur de la science appliquée chez AWS

Pour y parvenir, la puce Ocelot combine cinq qubits chat, des circuits tampons spéciaux pour stabiliser leur oscillation, et quatre qubits de soutien pour détecter les erreurs de phase. Le code de répétition s’est avéré efficace pour détecter les erreurs de basculement de phase, ce qui s’améliore lorsque le code passe de trois à cinq qubits chat.

Investir dans la technologie quantique

Aujourd’hui, l’un des acteurs les plus purs de l’informatique quantique sur le marché est IonQ (IONQ ), qui adopte l’approche des ions piégés pour concrétiser la technologie. Ce qui le distingue réellement, ce sont les portes à haute fidélité, l’intégration avec les principales plateformes cloud, les acquisitions agressives et une forte croissance des brevets, bien que les coûts d’échelle représentent un grand défi.

IonQ (IONQ )

Fondée il y a une décennie sur la base de plusieurs années de recherche à l’Université du Maryland et à l’Université Duke, IonQ développe des ordinateurs quantiques à ions piégés. L’objectif de l’entreprise est d’apporter cette technologie aux applications commerciales, industrielles et académiques. 

Pour cela, l’entreprise se concentre sur les atomes ionisés, qu’elle estime pouvoir permettre à ses ordinateurs d’effectuer des calculs plus sophistiqués plus longtemps et avec moins d’erreurs.

Ce mois-ci, IonQ a déclaré avoir atteint une fidélité de porte à deux qubits supérieure à 99,9 % sur ses plateformes de développement au baryum, la rapprochant de son système commercial, IonQ Tempo.

Cette étape « marque un seuil critique pour les systèmes de niveau entreprise », a déclaré Dean Kassmann, vice‑président senior de l’ingénierie et de la technologie chez IonQ, notant que « plus la fidélité native des portes est élevée, moins de correction d’erreurs sous toutes ses formes est requise. Une fidélité plus élevée est également essentielle pour des applications quantiques plus rapides et plus précises. »

L’utilisation d’ions baryum comme qubits représente un changement par rapport aux ions ytterbium que l’entreprise a utilisés pendant la majeure partie de son histoire. Les ions baryum ont été choisis pour leurs vitesses de porte accrues, leur limite de fidélité native plus élevée, une meilleure stabilité, des erreurs de préparation/mesure d’état (SPAM) plus faibles et des performances globales supérieures. 

IonQ possède également un portefeuille solide de brevets qui dépasse désormais les 1 000, ce qui, selon elle, positionne l’entreprise pour développer des systèmes évolutifs, haute performance et rentables, accélérant ainsi son calendrier pour un avantage quantique commercial inégalé.

Au 29 septembre 2025, IONQ a clôturé à 64,26 $ (record historique de 75,14 $ le 23 septembre 2025). C’est environ 7,4 fois supérieur au cours de clôture de 8,74 $ du 30 septembre 2024. La performance depuis le début de l’année varie selon la source mais se situe globalement entre +50 % et +90 %. La capitalisation boursière est d’environ 20 à 22 milliards de dollars.

L’entreprise a un BPA (TTM) de -2,02 et un PER (TTM) de -33,35.

En ce qui concerne ses finances, IonQ a déclaré un chiffre d’affaires de 20,7 millions de dollars pour le deuxième trimestre clôturé le 30 juin 2025. La perte nette était de 177,5 millions de dollars. La trésorerie, les équivalents de trésorerie et les investissements à la fin de la période s’élevaient à 656,8 millions de dollars.

Au cours de ce trimestre, l’entreprise a renforcé son bilan grâce au plus grand investissement en actions provenant d’une seule institution du secteur. IonQ a également finalisé l’acquisition de la société d’interconnexion quantique Lightsynq et de la société spatiale Capella, et a proposé l’acquisition d’Oxford Ionics pour 1,075 milliard de dollars.

« La combinaison de l’expertise matérielle et logicielle d’IonQ et de la mise en œuvre par Oxford du piège à ions sur puce fournit à l’équipe, la propriété intellectuelle, la technologie et l’élan nécessaires pour atteindre 800 qubits logiques en 2027 et 80 000 qubits logiques en 2030. »

– PDG Niccolo de Masi

Au deuxième trimestre, IonQ a déclaré avoir réalisé une accélération allant jusqu’à 20 fois dans un flux de travail de chimie computationnelle accélérée par le quantique (pour le développement de médicaments) en collaboration avec AstraZeneca (AZN ), NVIDIA (NVDA ) et AWS.

Dernières nouvelles et développements des actions IonQ (IONQ)

Conclusion

La technologie quantique est largement attendue pour révolutionner les industries en résolvant des problèmes complexes. L’expérience record de Caltech montre que l’informatique quantique à grande échelle et corrigée d’erreurs pourrait se rapprocher de la réalité.

Avec de telles recherches, ainsi que de nouvelles architectures, des avancées dans les matériaux et des acteurs commerciaux accélérant le développement, la technologie quantique pourrait devenir un outil universellement déployable dans les années à venir, permettant des percées scientifiques et sociétales.

Cliquez ici pour une liste des principales entreprises d’informatique quantique.

References

1. Grün, D. S., White, S. J. M., Ortu, A., Di Carli, A., Edri, H., Lepers, M., Mark, M. J. & Ferlaino, F. (2024). Optical Tweezer Arrays of Erbium Atoms. Physical Review Letters, 133, 223402. Publié le 26 novembre 2024. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.133.223402

2. Neven, H. (9 décembre 2024). Meet Willow, our state-of-the-art quantum chip. Google Research Blog. Consulté sur https://blog.google/technology/research/google-willow-quantum-chip/

3. Manetsch, H. J., Nomura, G., Bataille, E., et al. (2025). A tweezer array with 6100 highly coherent atomic qubits. Nature. Publié le 24 septembre 2025. https://doi.org/10.1038/s41586-025-09641-4

4. Manetsch, H. J., Nomura, G., Bataille, E., Leung, K. H., Lv, X. & Endres, M. (2025). A tweezer array with 6100 highly coherent atomic qubits. Nature. (Version du registre), publié le 24 septembre 2025. https://doi.org/10.1038/s41586-025-09641-4

5. Putterman, H., Noh, K., Hann, C. T., et al. (2025). Hardware-efficient quantum error correction via concatenated bosonic qubits. Nature, 638, 927–934. (Version du registre), publié le 26 février 2025. https://doi.org/10.1038/s41586-025-08642-7