Immuniser les ordinateurs quantiques contre les erreurs

Quiconque souhaite construire un ordinateur quantique doit - au double sens du terme - s'attendre à des erreurs. En effet, les bits quantiques ou qubits, qui peuvent prendre simultanément les états logiques 0 et 1 et assurent ainsi des calculs plus rapides, sont extrêmement sensibles aux pannes. La correction d'erreur quantique peut y remédier : chaque qubit est présent en plusieurs exemplaires, donc "redondant", et les erreurs peuvent ainsi être détectées et corrigées ultérieurement sans perturber l'état quantique fragile du qubit lui-même. Cela est techniquement très compliqué.

Depuis quelques années, il existe une proposition alternative dans laquelle l'information n'est pas stockée dans plusieurs qubits redondants, mais dans les nombreux états d'oscillation d'un seul oscillateur harmonique de physique quantique. Le groupe de recherche de Jonathan Home, professeur à l'Institut d'électronique quantique de l'ETH Zurich, vient de réaliser en laboratoire un qubit de ce type, codé dans un oscillateur. Leurs résultats ont été publiés dans la revue scientifique page externeNature publié.

?tats périodiques d'oscillation

Dans le laboratoire de Home, la doctorante Christa Flühmann et ses collaborateurs travaillent avec des atomes de calcium chargés électriquement, qui sont capturés à l'aide de champs électriques. Gr?ce à l'utilisation ciblée de rayons laser, ils sont refroidis à un point tel que leurs oscillations dans les champs électriques (dans lesquels les ions oscillent comme des billes dans un bol) sont décrites par la mécanique quantique comme des fonctions d'onde. "C'est là que les choses deviennent passionnantes", explique Flühmann, qui est le premier auteur du Nature-Paper. "Nous pouvons en effet manipuler les états d'oscillation des ions de manière à ce que leur flou de position et d'impulsion se répartisse sur de nombreux états disposés périodiquement".

L'"incertitude" fait ici référence à la célèbre formule de Werner Heisenberg, selon laquelle, en physique quantique, le produit des incertitudes de mesure de la position et de la vitesse (plus précisément de l'impulsion) d'une particule ne peut jamais être inférieur à une certaine limite minimale. Si l'on veut par exemple manipuler la particule de telle sorte que l'on connaisse très précisément sa position - les physiciens appellent cela "écraser" -, cela rend automatiquement son impulsion plus incertaine.

Incertitude réduite

Un tel écrasement d'un état quantique seul n'a donc qu'une utilité limitée si l'on veut faire des mesures précises. Mais il existe une solution astucieuse : si, en plus de l'écrasement, on crée un état d'oscillation dans lequel la fonction d'onde de la particule est répartie sur de nombreuses positions disposées périodiquement, l'incertitude de mesure de chacune de ces positions et des impulsions correspondantes peut être inférieure à ce que permet Heisenberg. Une telle répartition spatiale de la fonction d'onde - la particule peut se trouver à de nombreux endroits en même temps, et seule une mesure permet de décider où on la trouve effectivement - rappelle le fameux chat d'Erwin Schr?dinger, à la fois mort et vivant.

L'incertitude de mesure fortement réduite signifie désormais que les moindres modifications de la fonction d'onde, par exemple dues à des perturbations extérieures, peuvent être déterminées - et donc en principe corrigées - avec une grande précision. "Notre réalisation de ces états d'oscillation périodiques ou en peigne de l'ion représente un pas important vers une telle détermination éventuelle des erreurs", explique Flühmann. "De plus, nous pouvons préparer n'importe quel état de l'ion et effectuer toutes les opérations logiques sur l'ion. Tout cela est nécessaire pour la construction d'un ordinateur quantique. Dans une prochaine étape, nous voulons ensuite combiner cela avec une détermination et une correction des erreurs".

Applications dans les capteurs quantiques

Pour cela, il faut toutefois encore surmonter quelques obstacles expérimentaux, concède Flühmann. Ainsi, l'ion calcium doit d'abord être couplé à un autre ion par le biais de forces électriques, afin que l'état vibratoire puisse être lu sans le perturber. Mais déjà sous sa forme actuelle, la méthode des chercheurs de l'ETH est extrêmement intéressante pour des applications, explique Flühmann : "Du fait que ces états d'oscillation sont si sensibles aux perturbations, on peut les utiliser à merveille pour mesurer avec précision les plus petits champs électriques ou d'autres grandeurs physiques".