Illustration du code du chat de Schrödinger. Des physiciens de l’EPFL ont proposé un « code chat de Schrödinger critique » pour une résistance accrue aux erreurs, un schéma d’encodage inspiré de l’expérience de pensée de Schrödinger, ce qui constitue une avancée significative en matière d’informatique quantique. Ce nouveau système, fonctionnant dans un régime hybride, offre non seulement des capacités améliorées de suppression des erreurs, mais présente également une résistance remarquable aux erreurs dues à des changements de fréquence aléatoires, ce qui ouvre la voie à des dispositifs dotés de plusieurs qubits en interaction, l’exigence minimale pour un ordinateur quantique. Crédit : Vincenzo Savona (EPFL)
Des scientifiques de l’EPFL ont proposé un système révolutionnaire de résistance aux erreurs pour l’informatique quantique, connu sous le nom de « code critique de chat de Schrödinger ». Ce nouveau système fonctionne dans un régime hybride, présentant des capacités améliorées de suppression des erreurs et une résistance impressionnante aux erreurs dues à des changements de fréquence aléatoires, ce qui fait progresser la possibilité de créer des ordinateurs quantiques avec de multiples qubits en interaction.
L’informatique quantique utilise 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 dans 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 biologiques complexes et de matériaux, l’informatique quantique a le potentiel de remodeler de vastes domaines de la science, de l’industrie et de la société », déclare le professeur Vincenzo Savona, directeur du Centre de science et d’ingénierie quantiques de l’EPFL.
Contrairement aux bits classiques, les qubits peuvent exister dans une « superposition » d’états 0 et 1 en même temps. Cela permet aux ordinateurs quantiques d’explorer plusieurs solutions simultanément, ce qui pourrait les rendre beaucoup plus rapides dans certaines tâches de calcul. Cependant, les systèmes quantiques sont délicats et sensibles aux erreurs causées par les interactions avec leur environnement.
« Le développement de stratégies pour protéger les qubits de ces erreurs ou pour les détecter et les corriger une fois qu’elles se sont produites est crucial pour permettre le développement d’ordinateurs quantiques à grande échelle et tolérants aux pannes », déclare Savona. Avec les physiciens de l’EPFL Luca Gravina et Fabrizio Minganti, ils ont fait une percée significative en proposant un « code chat de Schrödinger critique » pour une résilience avancée aux erreurs. L’étude présente un nouveau schéma d’encodage qui pourrait révolutionner la fiabilité des ordinateurs quantiques.
Qu’est-ce qu’un « code chat critique de Schrödinger » ?
En 1935, le physicien Erwin Schrödinger a proposé une expérience de pensée pour critiquer l’interprétation de la mécanique quantique qui prévalait à l’époque – l’interprétation de Copenhague. Dans l’expérience de Schrödinger, un chat est placé dans une boîte scellée 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 brise alors la fiole. Le poison est libéré et tue le chat.
Selon la vision de Copenhague de la mécanique quantique, si l’atome est initialement en superposition, le chat héritera du même état et se retrouvera dans une superposition de vivant et de mort. « Cet état représente exactement la notion de bit quantique, réalisée à l’échelle macroscopique », explique Savona.
Ces dernières années, les scientifiques se sont inspirés du chat de Schrödinger pour élaborer une technique de codage appelée « code du 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, comme les états mort ou vivant du chat.
« Les codes de chat de Schrödinger ont été réalisés dans le passé en utilisant deux approches distinctes », explique 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 jeté un pont entre les deux en opérant dans un régime intermédiaire, combinant le meilleur des deux mondes. Bien qu’il ait été considéré auparavant comme infructueux, ce régime hybride 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 « critical cat ».
Le code chat critique présente un avantage supplémentaire : il présente une résistance exceptionnelle aux erreurs résultant de décalages 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 réalisation de dispositifs comportant plusieurs qubits interagissant mutuellement, ce qui constitue l’exigence minimale pour la construction d’un ordinateur quantique.
« Nous sommes en train d’apprivoiser le chat quantique », déclare M. Savona. « En fonctionnant dans un régime hybride, nous avons développé un système qui surpasse ses prédécesseurs, ce qui représente une avancée significative pour les qubits de chat et l’informatique quantique dans son ensemble. Cette étude est un jalon sur la voie de la construction de meilleurs ordinateurs quantiques, et démontre l’engagement de l’EPFL à faire progresser le domaine de la science quantique et à libérer le véritable potentiel des technologies quantiques.
Référence : « Critical Schrödinger Cat Qubit » par Luca Gravina, Fabrizio Minganti et Vincenzo Savona, 7 juin 2023, Physical Review X Quantum.
DOI: 10.1103/PRXQuantum.4.020337