Informatique
L’informatique quantique un pas de plus vers la réalité grâce aux oscillateurs harmoniques
La course aux ordinateurs quantiques est en plein essor depuis quelques années, la découverte de médicaments, la science des matériaux, l’optimisation, l’apprentissage automatique et la cryptographie ne sont que quelques-uns des domaines qui seront révolutionnés par ses avancées.
Mais malgré tous les progrès, la construction d’ordinateurs quantiques capables de résoudre des problèmes du monde réel a été freinée par trois grands défis :
- États quantiques fragiles
- Mise à l’échelle tout en maintenant le contrôle
- Préserver la cohérence
Aujourd’hui, une équipe de l’Université de technologie de Chalmers en Suède a franchi une étape importante pour relever ces défis et accélérer le développement d’ordinateurs quantiques pratiques. Ils ont récemment publié une nouvelle méthode dans la revue Nature pour manipuler l’information quantique en utilisant une non‑linéarité réglable dans des circuits supraconducteurs. Cela permet d’effectuer des opérations complexes sur des états quantiques multidimensionnels plus rapidement et avec plus de précision que jamais auparavant.
Construire des ordinateurs quantiques pratiques
Au cœur de l’informatique quantique se trouve le bit quantique, ou qubit, l’unité fondamentale de l’information quantique. Contrairement aux bits classiques, qui sont soit 0 soit 1, les qubits peuvent être à la fois 0 et 1 ainsi que toutes les valeurs intermédiaires. Les qubits peuvent également être intriqués les uns avec les autres, permettant aux ordinateurs quantiques d’effectuer certains calculs beaucoup plus rapidement que les ordinateurs classiques.
Cependant, atteindre cette capacité a été un défi majeur. L’un des plus grands problèmes est la fragilité des états quantiques. Les qubits sont sensibles à leur environnement et perdent rapidement leurs propriétés quantiques à cause de la décohérence, introduisant des erreurs dans le calcul quantique et limitant la profondeur des calculs.
Un autre problème majeur est la mise à l’échelle. À mesure que davantage de qubits sont ajoutés à un processeur quantique, il devient plus difficile de contrôler les interactions entre eux et de mettre en œuvre les portes quantiques. Cela est dû au fait que les systèmes de contrôle et le couplage parasite entre les qubits deviennent plus complexes.
Et il existe un compromis entre cohérence et contrôlabilité. Les techniques qui rendent les qubits plus cohérents, comme les codes de correction d’erreurs, nécessitent plus de ressources et limitent certaines opérations. Les systèmes qui offrent plus de contrôle sur les qubits individuels, comme les ions piégés ou les circuits supraconducteurs, sont plus bruyants et plus sujets à la décohérence.
“Imaginez un qubit comme une lampe bleue qui, mécaniquement quantique, peut être allumée et éteinte simultanément. En revanche, un système quantique à variables continues ressemble à un arc-en-ciel infini, offrant un dégradé continu de couleurs. Cela illustre sa capacité à accéder à un nombre immense d’états, offrant des possibilités bien plus riches que les deux états du qubit.”
– Axel Eriksson, chercheur en technologie quantique à l’Université de technologie de Chalmers et auteur principal de l’étude
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Non‑linéarités réglables dans les circuits supraconducteurs
L’équipe de l’Université de Chalmers, dirigée par les docteurs Axel M. Eriksson et Simone Gasparinetti, a résolu ces problèmes en utilisant des circuits supraconducteurs. Ils ont développé un composant spécial appelé résonateur SNAIL (Superconducting Nonlinear Asymmetric Inductive eLement).
Les SNAIL sont des éléments de circuit supraconducteur dotés d’une forte non‑linéarité réglable. Il s’agit d’une boucle supraconductrice contenant des jonctions Josephson, des barrières isolantes fines qui permettent aux paires de Cooper (paires d’électrons liées) de traverser par effet tunnel. En disposant les jonctions de manière asymétrique, ils ont créé un élément de circuit avec une inductance non linéaire.
“Nous avons créé un système qui effectue des opérations complexes sur un système quantique à états multiples plus rapidement que jamais auparavant.”
– Auteur principal Dr. Simone Gasparinetti, responsable du laboratoire 202Q à l’Université de Chalmers
L’élément clé de l’équipe de Chalmers a été d’insérer un résonateur SNAIL à l’intérieur d’une cavité micro‑ondes supraconductrice, qui constitue un mode bosonique pour encoder l’information quantique. Ils ont appliqué des impulsions micro‑ondes à ce système hybride et ont activé puis désactivé la non‑linéarité du SNAIL afin d’exécuter toutes sortes d’opérations quantiques rapidement et avec précision.
Informatique quantique à variables continues
L’une des particularités de l’approche de l’équipe de Chalmers est qu’elle dépasse le paradigme du qubit et utilise des états quantiques à variables continues (CV).
Dans un système quantique CV, l’information est encodée dans les quadratures d’amplitude et de phase d’un oscillateur harmonique, comme le champ d’une cavité micro‑ondes. Ces quadratures peuvent prendre une gamme continue de valeurs, pas seulement 0 et 1 comme les qubits.
Selon l’auteur principal Dr. Simone Gasparinetti, responsable du laboratoire 202Q à l’Université de Chalmers :
“Nous avons créé un système qui permet des opérations extrêmement complexes sur un système quantique à états multiples, à une vitesse sans précédent.”
L’approche CV présente des avantages par rapport à l’informatique quantique à variables discrètes. (i) Premièrement, un seul mode CV peut encoder l’équivalent de plusieurs qubits d’information, ce qui signifie moins de matériel pour l’informatique quantique tolérante aux fautes. (ii) Deuxièmement, la nature des états CV permet de meilleurs codes de correction d’erreurs, nécessaires pour l’informatique quantique en présence de bruit et de décohérence.
Cependant, un problème majeur en informatique quantique CV est les opérations non gaussiennes, nécessaires pour l’informatique quantique universelle. Les opérations gaussiennes telles que le déplacement et le resserrement de l’état de l’oscillateur peuvent être réalisées avec des éléments optiques linéaires ou des circuits micro‑ondes, mais cela ne suffit pas pour obtenir un avantage quantique car elles peuvent être simulées classiquement.
Les opérations non gaussiennes nécessitent des interactions non linéaires, beaucoup plus difficiles à réaliser et à contrôler. Les tentatives précédentes de combiner des modes CV avec des éléments non linéaires ont été entravées par l’effet Kerr, qui perturbe l’information quantique et réduit la fidélité des opérations.
L’équipe de Chalmers a résolu ce problème en ingénierie la non‑linéarité à l’intérieur du résonateur SNAIL. Ils font fonctionner le SNAIL à un point dit « sans Kerr », où la non‑linéarité Kerr indésirable est supprimée, et la non‑linéarité d’ordre trois nécessaire aux opérations non gaussiennes est conservée.
“Notre communauté a souvent tenté de tenir les éléments supraconducteurs à l’écart des oscillateurs quantiques, afin de ne pas brouiller les états quantiques fragiles. Dans ce travail, nous avons remis en cause ce paradigme. En intégrant un dispositif de contrôle au cœur de l’oscillateur, nous avons pu éviter de brouiller les nombreux états quantiques tout en étant capables de les contrôler et de les manipuler. En conséquence, nous avons démontré un nouvel ensemble d’opérations de porte réalisées à très grande vitesse.”
– Simone Gasparinetti
Un ensemble de portes universel
Pour démontrer ce qu’ils peuvent réaliser, ils ont créé un ensemble de portes universel sur leur plateforme à résonateur SNAIL. Cela comprend des portes gaussiennes comme le déplacement et le resserrement ainsi qu’une porte de phase cubique, qui est non gaussienne.
Les portes gaussiennes ont été réalisées en appliquant des impulsions micro‑ondes à des fréquences spécifiques au circuit SNAIL. Une excitation à la fréquence fondamentale produit un déplacement, et une excitation à deux fois la fréquence fondamentale produit un resserrement. Cela sert à préparer et manipuler des états cohérents et resserrés, qui sont les blocs de construction du traitement de l’information quantique CV.
La porte de phase cubique a été réalisée en combinant une interaction « triresserrement » (excitation à trois fois la fréquence fondamentale) avec des excitations à des fréquences plus basses. Cela applique un décalage de phase non linéaire à l’état de l’oscillateur proportionnel au cube de l’amplitude, d’où le nom « phase cubique ».
La porte de phase cubique est nécessaire pour l’informatique quantique CV universelle car elle permet de créer des états hautement non classiques tels que les états Gottesman‑Kitaev‑Preskill (GKP), destinés à la correction d’erreurs quantiques tolérante aux fautes. La porte de phase cubique combinée aux portes gaussiennes génère un état non gaussien déterministe appelé « état de phase cubique ».
Les portes réalisées par l’équipe de Chalmers ont été générées avec des impulsions aussi courtes que quelques dizaines de nanosecondes. Elles sont 10 à 100 fois plus rapides que les implémentations précédentes avec des couplages qubit‑oscillateur dispersifs. Cela est dû à la forte non‑linéarité du résonateur SNAIL.
Préparation déterministe d’un état de phase cubique
Un autre exemple est l’équipe de Chalmers qui utilise son ensemble de portes universel pour créer un état quantique hautement non classique appelé état de phase cubique. Les états de phase cubique sont nécessaires pour la correction d’erreurs quantiques, la métrologie quantique et l’informatique quantique CV basée sur la mesure.
La préparation de l’état de phase cubique a été réalisée en appliquant des portes à l’état fondamental (vide) du résonateur SNAIL. D’abord, une porte de resserrement de 20 ns a été appliquée pour créer un état de vide resserré. Ensuite, une porte de phase cubique de 40 ns a été appliquée à cet état resserré, et voilà, un état de phase cubique avec une cubique de 0,11.
L’état a été caractérisé par tomographie de Wigner, qui génère une distribution de l’espace de phase de l’état quantique. La fonction de Wigner était fortement négative, ce qui est non classique et ne peut être observé dans aucun état d’oscillateur classique.
La fidélité de l’état de phase cubique par rapport à l’état cible était de 92 %. Ils ont montré que la cubique de l’état peut être augmentée simplement en prolongeant la durée de la porte de phase cubique. C’est bien meilleur que les méthodes de préparation d’états précédentes, qui nécessitaient une réoptimisation complète de la séquence de contrôle pour chaque valeur de cubique.
Possibilités d’amélioration et travaux futurs
Bien que le travail de l’équipe de Chalmers soit déjà remarquable, il reste encore des améliorations à apporter :
Résonateur SNAIL
Une limitation des opérations quantiques est le temps de cohérence du résonateur SNAIL. Ils disposent de temps de cohérence de quelques microsecondes, suffisants pour l’instant, mais un temps plus long permettra des circuits quantiques plus complexes et plus profonds. Optimiser les paramètres du circuit SNAIL afin de réduire le bruit de flux ainsi que le blindage et le filtrage de l’environnement micro‑ondes sont des moyens d’améliorer la cohérence.
Cela comprend :
- Temps de cohérence du résonateur SNAIL (quelques microsecondes suffisent pour l’instant, mais un temps plus long permettra des circuits plus complexes)
- Optimisation des paramètres du circuit SNAIL pour réduire le bruit de flux
- Blindage et filtrage de l’environnement micro‑ondes
Scalabilité
Un autre domaine à améliorer est la scalabilité. L’expérience a été réalisée avec un seul SNAIL, mais un ordinateur quantique à grande échelle nécessite plusieurs SNAIL. Pour passer à l’échelle, on pourrait utiliser plusieurs SNAIL, chacun connecté à sa propre cavité micro‑ondes. Cette configuration permet la création de portes multi‑qubits et d’états intriqués en concevant le couplage entre les cavités. Cependant, cela nécessite un contrôle de la fabrication et du réglage des SNAIL afin qu’ils soient homogènes et reproductibles.
- Scalabilité (un SNAIL actuellement, mais un ordinateur quantique à grande échelle nécessite plusieurs)
- Un réseau de SNAIL, chacun avec sa propre cavité micro‑ondes
- Portes multi‑qubits et états intriqués à travers le réseau grâce au couplage entre les cavités
- Contrôle de la fabrication et du réglage des SNAIL pour qu’ils soient homogènes et reproductibles
En plus d’augmenter le nombre de modes CV, nous devons également augmenter le nombre de photons dans chaque mode. La non‑linéarité du résonateur SNAIL le fait dévier de son comportement idéal à des nombres de photons plus élevés, ce qui limite la taille de l’espace de Hilbert computationnel.
Une façon de résoudre ce problème est d’utiliser une conception multi‑SNAIL dans laquelle la non‑linéarité de chaque SNAIL est ingénieusement annulée aux ordres supérieurs tout en préservant les interactions d’ordre inférieur.
D’autres avancées plausibles incluent :
- Plus de modes CV
- Plus de photons dans chaque mode
- La non‑linéarité du résonateur SNAIL le fait dévier de son comportement idéal à des nombres de photons plus élevés
- Limite la taille de l’espace de Hilbert computationnel
- Conception multi‑SNAIL : la non‑linéarité de chaque SNAIL s’annule aux ordres supérieurs tout en préservant les interactions d’ordre inférieur
En regardant vers l’avenir, l’équipe de Chalmers souhaite intégrer leur plateforme à résonateur SNAIL avec d’autres architectures d’informatique quantique afin de créer des systèmes hybrides. Par exemple, les interactions médiées par le SNAIL peuvent être utilisées pour intriquer des qubits supraconducteurs et des modes CV afin de créer des états multi‑qubits complexes. Les portes CV rapides et efficaces présentées dans ce travail peuvent être utilisées pour la correction d’erreurs quantiques sur des qubits encodés, ce qui rendra les processeurs quantiques plus robustes et évolutifs.
Une perspective passionnante à envisager est l’intégration de la plateforme à résonateur SNAIL avec des systèmes quantiques optiques. Les circuits supraconducteurs sont adaptés à l’informatique quantique, fonctionnant à des fréquences micro‑ondes et à des températures cryogéniques. En revanche, les systèmes quantiques optiques, qui fonctionnent à température ambiante, sont idéaux pour la communication quantique à longue distance. En développant un convertisseur de fréquence quantique, nous pouvons combiner le meilleur des deux mondes pour créer un ordinateur quantique évolutif et en réseau.
Conclusion
Ce que l’équipe de Chalmers a accompli représente une avancée majeure pour les ordinateurs quantiques pratiques. Ils ont utilisé une non‑linéarité réglable dans des circuits supraconducteurs pour développer un ordinateur quantique efficace en matériel et contrôlable, capable d’exécuter rapidement et avec précision des opérations complexes sur des états quantiques multidimensionnels.
Cela représente un nouveau paradigme dans le calcul CV‑NISQ. Les résonateurs SNAIL peuvent résoudre des problèmes difficiles en chimie quantique, optimisation et apprentissage automatique. À mesure que cette technologie mûrit et s’étend, elle ouvrira des applications impossibles avec les ordinateurs classiques.
Cependant, la construction d’ordinateurs quantiques à grande échelle et tolérants aux fautes présente encore d’importants défis, notamment le temps de cohérence des circuits supraconducteurs, le nombre de qubits et de modes CV, ainsi que les interfaces entre les plateformes d’informatique quantique.
Malgré ces défis, l’informatique quantique en tant que science appliquée a parcouru un long chemin, et l’équipe de Chalmers a joué un rôle essentiel dans le dépassement de ses limites. Ils ont enrichi la boîte à outils de l’informatique quantique et nous ont montré de nouvelles façons d’exploiter la mécanique quantique. Aujourd’hui, nous sommes un pas de plus près d’une informatique quantique accessible.
À mesure que la théorie et les expériences progressent rapidement, l’avenir de l’informatique quantique n’a jamais été aussi prometteur. Les ordinateurs quantiques offriront des accélérations exponentielles pour un large éventail de tâches computationnelles dans des domaines tels que la découverte de médicaments, la conception de matériaux, la cryptographie et l’intelligence artificielle. Associés aux avancées technologiques comme l’IA, ces développements nous assurent que le monde est au bord de changements transformateurs difficiles à imaginer pleinement.
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