Comprendre les qubits – Avancées en téléportation et interactions contrôlées

Beaucoup de choses se passent dans le monde de l’informatique quantique. Le géant des puces Nvidia a lancé une plateforme open source CUDA‑Q pour accélérer les efforts en informatique quantique, tandis que la Chine a créé sa plus grande puce d’informatique quantique. Il y a aussi des scientifiques de l’Université de Manchester qui ont développé du silicium ultra‑pur qui ouvre la voie aux ordinateurs de prochaine génération.

Tout cet engouement et ces développements autour des ordinateurs quantiques sont logiques, étant donné que la technologie possède un potentiel immense dans divers domaines, notamment la cryptographie, la découverte de médicaments, la résolution de problèmes d’optimisation complexes, l’amélioration des algorithmes d’apprentissage automatique, et bien plus encore.

Les ordinateurs quantiques peuvent réaliser tout cela en tirant parti de la théorie quantique, qui décrit le comportement et la nature de la matière et de l’énergie à l’échelle atomique et même subatomique. L’informatique quantique utilise des particules subatomiques telles que les photons et les électrons. Les qubits (bits quantiques) permettent alors à ces particules d’exister simultanément dans plusieurs états et sont manipulés par des dispositifs de contrôle.

Pour atteindre des vitesses exponentiellement plus rapides que votre ordinateur traditionnel tout en consommant moins d’énergie, les ordinateurs quantiques utilisent la superposition et l’intrication.

La superposition consiste à additionner deux ou plusieurs états quantiques pour créer un autre état quantique valide. La superposition des qubits permet aux ordinateurs quantiques d’exécuter des millions d’opérations simultanément.

L’intrication se produit lorsque deux systèmes sont liés de telle sorte que connaître l’état de l’un donne immédiatement connaissance de l’autre. Cela permet aux ordinateurs quantiques de résoudre des problèmes complexes à grande vitesse.

Le problème ici est la décohérence, qui est la perte de l’état quantique d’un qubit due à des facteurs tels que les radiations, les vibrations ou les variations de température. Cela engendre des erreurs de calcul. Pour protéger les qubits des interférences, ils sont placés dans des chambres à vide, isolés et refroidis à très basse température.

Comme nous l’avons vu, les qubits jouent un rôle crucial dans la réalisation de l’informatique quantique, mais tout n’est pas encore connu à leur sujet. Cependant, deux expériences indépendantes récentes ont élargi notre compréhension des qubits, marquant une étape importante vers la construction d’un ordinateur quantique fonctionnel.

Téléportation quantique réussie

De nouvelles recherches ont réussi à réaliser la téléportation quantique malgré tout le bruit qui perturbe généralement le transfert d’un état quantique. Dans la téléportation, un qubit est transféré d’un endroit à un autre sans envoyer la particule elle-même.

En théorie, le transfert de l’état quantique peut se faire sans problème, mais dans le monde réel, les perturbations et le bruit dégradent la qualité de la téléportation quantique. Ainsi, les chercheurs de la dernière étude ont constaté que parvenir à une téléportation quantique parfaite malgré le bruit est un exploit remarquable.

Publié dans la revue Science Advances, l’étude explique comment l’intrication et la décohérence sont des forces opposées à de nombreux protocoles et technologies quantiques.

Selon la recherche, l’intrication quantique qui se produit dans des corrélations s’étendant sur des distances arbitrairement longues est très importante pour les fondements de la mécanique quantique. Elle possède de nombreuses applications dans le traitement de l’information et les communications. Cependant, les interactions entre un système quantique et son environnement sont inévitables, et la décohérence peut gravement dégrader les performances de ces applications.

Bien qu’il existe de nombreux protocoles prometteurs de suppression de la décohérence, avec des travaux récents exploitant les sous‑espaces sans décohérence, le découplage dynamique, les codes de correction d’erreurs quantiques, le retour d’information quantique cohérent différé et l’ingénierie de réservoirs avec des sous‑systèmes auxiliaires, éviter la décohérence reste extrêmement exigeant en pratique.

Ainsi, l’étude a proposé un protocole efficace pour la téléportation quantique en présence de décohérence absolue.

L’étude menée par des chercheurs de l’Université des Sciences et Technologies de Chine, Hefei, et de l’Université de Turku, Finlande, a utilisé une intrication hybride multipartite entre les qubits auxiliaires et leurs environnements locaux dans le cadre d’un système quantique ouvert, ce qui a permis d’atteindre une grande précision.

Selon les chercheurs, l’optique linéaire est une plateforme particulièrement robuste pour exécuter différents protocoles d’information quantique et étudier les problèmes liés à la décohérence.

Le travail présenté dans cette étude, selon Jyrki Piilo, professeur à l’Université de Turku, exploite la notion d’intrication distribuée. Cette distribution d’intrication va au-delà des qubits utilisés et est réalisée avant le fonctionnement du protocole. Cela signifie « exploiter l’intrication hybride entre différentes degrés de liberté physiques », a déclaré Piilo.

Traditionnellement, la polarisation des photons a été utilisée pour intriquer les qubits lors de la téléportation. Cependant, la nouvelle approche exploite l’intrication hybride entre la polarisation des photons et la fréquence.

Cela entraîne un grand changement dans la façon dont le bruit influence le protocole. La découverte, en fait, « renverse le rôle du bruit, le faisant passer de nuisible à bénéfique pour la téléportation », a déclaré Piilo.

Traditionnellement, le protocole de téléportation ne fonctionne pas lorsqu’il y a non seulement du bruit pendant l’intrication des qubits mais aussi lorsque l’intrication hybride est présente initialement sans aucun bruit. À l’inverse, lorsqu’on possède une intrication hybride puis qu’on ajoute du bruit, la téléportation et le transfert d’état quantique se déroulent presque parfaitement.

De cette manière, la découverte la plus récente permet une téléportation quasi idéale malgré le bruit associé à l’utilisation des photons.

« Bien que nous ayons réalisé de nombreuses expériences sur différents aspects de la physique quantique avec des photons dans notre laboratoire, il a été très excitant et gratifiant de voir cette expérience de téléportation très difficile aboutir avec succès. »

L’étude a noté qu’en plus de lutter contre la décohérence, l’intrication hybride les a également aidés à ajouter une couche supplémentaire de sécurité. L’étude a déclaré :

« Il serait intéressant d’explorer dans de futures recherches jusqu’où l’information téléportée peut être cachée. »

Ce n’est que le début, l’étude ayant une importance fondamentale en ouvrant de nouvelles voies pour les travaux futurs sur les protocoles quantiques en s’appuyant sur cette recherche de base. Une façon d’appliquer la technique est le transfert d’état en dehors de la téléportation quantique et au-delà des sous‑espaces sans décohérence.

La recherche ouvre également la possibilité d’examiner si la décohérence peut être inversée sur d’autres plateformes physiques, y compris différentes sources de bruit.

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Réalisation d’une porte à deux qubits dans un transistor en silicium conventionnel

L’autre étude, qui a été menée par des chercheurs de la plus ancienne université de Suisse, l’Université de Bâle, en collaboration avec ceux du Centre national de compétence en recherche (NCCR) SPIN, a réalisé une percée en obtenant une interaction contrôlable entre deux qubits à spin de trous dans un transistor en silicium traditionnel.

Publiée dans Nature, l’étude, qui a reçu un financement en accès ouvert de l’Université de Bâle, a noté que les qubits à spin semi-conducteurs offrent le potentiel d’utiliser la technologie des transistors industriels pour produire des ordinateurs quantiques à grande échelle.

Pour qu’un ordinateur quantique effectue des calculs, il a besoin de « portes quantiques », qui sont des opérations manipulant les qubits et les couplant entre eux. Les chercheurs de la dernière étude ont pu non seulement coupler deux qubits, mais aussi provoquer un retournement contrôlé de l’un de leurs spins, dépendant de l’état du spin de l’autre. Le couplage dépend de l’interaction d’échange des deux qubits à spin.

« Les spins de trous nous permettent de créer des portes à deux qubits à la fois rapides et à haute fidélité. Ce principe rend désormais possible le couplage d’un plus grand nombre de paires de qubits. »

– Dr. Andreas Kuhlmann

Des chercheurs ont déjà démontré il y a quelques années que les spins de trous dans un dispositif électronique existant pouvaient être piégés et utilisés comme qubits. Aujourd’hui, Kuhlmann a conduit cette équipe de physiciens de Bâle à réussir la réalisation d’une interaction entre deux qubits qui peut être contrôlée.

Bien que les qubits en question bénéficient d’une contrôlabilité électrique et de points optimaux pour annuler la charge et le bruit, démontrer une interaction à deux qubits a été difficile.

Un facteur manquant, selon l’étude, a été la compréhension du couplage d’échange pendant une forte interaction spin-orbite. Pour y remédier, les scientifiques ont étudié deux qubits à spin de trous dans des « FinFET » en silicium, ou transistor à effet de champ à aileron. Le couplage spin-orbite signifie que l’état de spin d’un trou est affecté par son mouvement dans l’espace.

Ainsi, les qubits à spin de points quantiques (QD) semi-conducteurs sont considérés comme les plus adaptés aux futures implémentations de circuits quantiques à grande échelle. Cependant, même le processeur quantique basé sur le spin le plus avancé permet actuellement le contrôle universel de six qubits à spin d’électron en silicium (Si). Cela est suivi de près par une démonstration à quatre qubits avec des trous en germanium.

Pour l’étude, les chercheurs ont utilisé un qubit qui exploite le spin d’un électron ou d’un trou. Les électrons et les trous ont un spin et adoptent soit l’état haut, soit l’état bas.

Les spins de trous, comparés aux spins d’électrons, peuvent être contrôlés entièrement électriquement sans besoin de dégénérescence orbitale ou de composants supplémentaires comme des micromagnètes intégrés, ce qui ajoute de la complexité. Cela est dû à leur interaction spin-orbite intrinsèque (SOI). Les trous bénéficient également d’une interaction hyperfine réduite et de l’absence de vallée.

Ainsi, l’étude montre la capacité de contrôler électriquement l’échange et d’effectuer un retournement de spin conditionnel en 24 ns. L’Hamiltonien d’échange n’a plus la forme de Heisenberg et peut être conçu pour permettre des portes de rotation contrôlée à deux qubits sans sacrifier la vitesse au profit de la précision, ou inversement. Selon la recherche :

« Ce comportement idéal s’applique sur une large gamme d’orientations du champ magnétique, rendant le concept robuste face aux variations d’un qubit à l’autre, indiquant qu’il s’agit d’une approche adaptée à la réalisation d’un ordinateur quantique à grande échelle. »

Cette étude suggère le potentiel d’agencer des millions de qubits à spin de trous sur une seule puce. Son approche montre également une grande possibilité pour le développement d’un ordinateur quantique à grande échelle.

Des améliorations futures de la fabrication des dispositifs sont nécessaires pour réduire la variabilité. Lorsqu’elles sont combinées avec des points optimaux de rotation contrôlée (CROT) robustes, ces avancées « rendront les opérations de porte à deux qubits avec échange anisotrope très attractives pour les réseaux de qubits à grande échelle ».

Les avancées de la recherche, si elles sont combinées à une lecture rapide et à une opération au-dessus de 1 K, peuvent permettre aux FinFET d’être utilisés comme processeur quantique universel disposé sur une puce utilisée dans l’électronique de contrôle classique.

Entreprises impliquées dans le développement des ordinateurs quantiques

Voyons maintenant les entreprises qui travaillent activement sur les ordinateurs quantiques :

#1. IBM

IBM mène la recherche en informatique quantique depuis de nombreuses années et a développé IBM Q System One, le premier ordinateur quantique commercial basé sur des circuits. L’entreprise offre un accès à ses systèmes quantiques via la plateforme IBM Quantum Experience.

Plus tôt ce mois-ci, IBM a dévoilé son processeur quantique de plus de 1 000 qubits, Condor, ainsi que son processeur à l’échelle utilitaire IBM Quantum Heron avec 133 qubits. Elle a également annoncé le lancement d’un ordinateur quantique modulaire, Quantum System Two. Parallèlement, grâce à la suite logicielle Qiskit, IBM vise à rendre le développement de l’informatique quantique largement accessible.

Cette année, le laboratoire national de recherche japonais RIKEN a annoncé qu’il déploiera le processeur quantique d’IBM et l’architecture d’ordinateur quantique pour une intégration avec le superordinateur Fugaku.

Les recherches récentes de l’entreprise dans le domaine incluent quant à elles :

• Mémoire quantique tolérante aux fautes à seuil élevé et à faible surcharge.
• Encodage d’un état magique avec une fidélité dépassant le point d’équilibre.
• Simulation de chaînes de spins quantiques de grande taille sur des ordinateurs quantiques supraconducteurs basés sur le cloud.

À la date de rédaction, les actions de l’entreprise se négocient à 167,36 $, en hausse de 2,33 % depuis le début de l’année, tandis que sa capitalisation boursière s’élève à 153,73 milliards $. IBM a déclaré un chiffre d’affaires (TTM) de 62,07 milliards $, un BPA (TTM) de 9,19 et un PER (TTM) de 18,22. Le rendement du dividende est de 3,99 %.

Lors de son dernier rapport financier du premier trimestre 2024, IBM a vu son chiffre d’affaires augmenter de 1,5 % en glissement annuel au cours du trimestre pour atteindre 14,5 milliards $ et un flux de trésorerie disponible de 1,9 milliard $. L’entreprise souligne que sa « croissance solide du chiffre d’affaires et du flux de trésorerie disponible » reflète la force de sa stratégie cloud et IA.

#2. Google 

Dans le domaine de l’informatique quantique, Google a réalisé des progrès avec son laboratoire Quantum AI, qui travaille à la fois sur le matériel et le logiciel. Il y a quelques années, la division a lancé Sycamore, un processeur quantique de 53 qubits. Actuellement, le matériel du géant technologique se concentre sur les qubits supraconducteurs tandis que sa suite logicielle avancée explore la puissance de l’informatique quantique.

Il y a quelques mois, Google a lancé un concours mondial pluriannuel pour trouver des cas d’utilisation réels de l’informatique quantique avec un prix de 5 millions de dollars, qui sera réparti entre les finalistes. Google a indiqué en mars :

« Bien qu’il existe de nombreuses raisons d’être optimiste quant au potentiel de l’informatique quantique, nous restons encore en partie dans l’ombre quant à l’étendue complète du comment, du quand et des problèmes réels pour lesquels cette technologie s’avérera la plus transformatrice. »

Les recherches récentes de l’entreprise dans ce domaine incluent la suppression des erreurs quantiques en faisant évoluer un qubit logique à code de surface, la transition de phase dans l’échantillonnage de circuits aléatoires, ainsi que l’intrication et la téléportation induites par la mesure sur un processeur quantique bruyant.

À la date de rédaction, les actions de l’entreprise se négocient à 107,48 $, en hausse de 21,94 % depuis le début de l’année, tandis que sa capitalisation boursière est de 2,12 billiards $. Google a déclaré un chiffre d’affaires (TTM) de 218,14 milliards $, un BPA (TTM) de 6,52 et un PER (TTM) de 26/13. Elle verse un rendement du dividende de 0,47 %.

Pour ses résultats du premier trimestre 2024, l’entreprise a enregistré une hausse de 13 % de son chiffre d’affaires, atteignant 86,3 milliards $, un bénéfice net de 20,28 milliards $ et le tout premier dividende de 20 $ par action. Au printemps 2024, sa capitalisation boursière a atteint un nouveau jalon de 2 billiards $, faisant d’elle la quatrième entreprise publique la plus précieuse au monde.

Conclusion

Il y a eu une course pour construire un ordinateur quantique fonctionnel, pour laquelle les chercheurs se concentrent sur la compréhension des qubits et le travail avec différentes technologies de qubits. Les qubits sont la base de l’ordinateur quantique car ils gèrent tout le traitement, le transfert et le stockage des données. Ainsi, toutes les recherches ont porté sur les qubits, y compris les deux dernières présentées ici, qui visent à aider à la construction d’un ordinateur quantique pratique.

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