Des physiciens de l’université d’Oxford ont établi une nouvelle référence mondiale pour la précision du contrôle d’un bit quantique unique, en atteignant le taux d’erreur le plus bas jamais enregistré pour une opération de logique quantique – seulement 0,000015 %, soit une erreur sur 6,7 millions d’opérations. Ce résultat record représente une amélioration de près d’un ordre de grandeur par rapport à la référence précédente, établie par le même groupe de recherche il y a dix ans. Ces résultats, qui seront publiés cette semaine dans Physical Review Letters, représentent une avancée majeure vers le développement d’ordinateurs quantiques robustes et utiles.
Pour mettre ce résultat en perspective, il est plus probable qu’une personne soit frappée par la foudre au cours d’une année donnée (1 sur 1,2 million) que l’une des portes logiques quantiques d’Oxford commette une erreur.
Pour effectuer des calculs utiles sur un ordinateur quantique, des millions d’opérations devront être exécutées sur de nombreux qubits. Cela signifie que si le taux d’erreur est trop élevé, le résultat final du calcul n’aura pas de sens. Bien que la correction d’erreurs puisse être utilisée pour réparer les erreurs, cela a pour conséquence de nécessiter beaucoup plus de qubits. En réduisant l’erreur, la nouvelle méthode réduit le nombre de qubits nécessaires et, par conséquent, le coût et la taille de l’ordinateur quantique lui-même.
Molly Smith (étudiante diplômée, département de physique, université d’Oxford), co-auteur principal, a déclaré : « En réduisant radicalement le risque d’erreur, ce travail réduit considérablement l’infrastructure nécessaire à la correction des erreurs, ouvrant la voie à de futurs ordinateurs quantiques plus petits, plus rapides et plus efficaces. Le contrôle précis des qubits sera également utile pour d’autres technologies quantiques telles que les horloges et les capteurs quantiques ».
Ce niveau de précision sans précédent a été obtenu en utilisant un ion calcium piégé comme qubit (bit quantique). Ceux-ci constituent un choix naturel pour stocker des informations quantiques en raison de leur longue durée de vie et de leur robustesse. Contrairement à l’approche conventionnelle, qui utilise des lasers, l’équipe d’Oxford a contrôlé l’état quantique des ions calcium à l’aide de signaux électroniques (micro-ondes).
Cette méthode offre une plus grande stabilité que le contrôle par laser et présente également d’autres avantages pour la construction d’un ordinateur quantique pratique. Par exemple, le contrôle électronique est beaucoup moins cher et plus robuste que les lasers, et plus facile à intégrer dans les puces de piégeage d’ions. En outre, l’expérience a été réalisée à température ambiante et sans blindage magnétique, ce qui simplifie les exigences techniques pour un ordinateur quantique fonctionnel.
Le précédent meilleur taux d’erreur de qubit unique, également atteint par l’équipe d’Oxford en 2014, était de 1 sur 1 million. L’expertise du groupe a conduit au lancement de l’entreprise dérivée Oxford Ionics en 2019, qui est devenue un leader établi dans les plateformes de qubits à ions piégés de haute performance.
Bien que ce résultat record marque une étape importante, l’équipe de recherche souligne qu’il s’inscrit dans un défi plus vaste. L’informatique quantique nécessite des portes à un ou deux qubits pour fonctionner ensemble. Actuellement, les portes à deux qubits présentent encore des taux d’erreur beaucoup plus élevés – environ 1 sur 2000 dans les meilleures démonstrations à ce jour – et il sera donc essentiel de les réduire pour construire des machines quantiques entièrement tolérantes aux pannes.
« À notre connaissance, il s’agit de l’opération de qubit la plus précise jamais enregistrée dans le monde. Il s’agit d’une étape importante vers la construction d’ordinateurs quantiques pratiques capables de résoudre les problèmes du monde réel. » a déclaré le Professeur David Lucas, co-auteur, Département de physique, Université d’Oxford.
Les expériences ont été menées au département de physique de l’université d’Oxford par Molly Smith, Aaron Leu, Mario Gely et le professeur David Lucas, ainsi que par un chercheur invité, Koichiro Miyanishi, du Centre d’information quantique et de biologie quantique de l’université d’Osaka.
Les scientifiques d’Oxford font partie du pôle britannique d’informatique et de simulation quantiques (QCS), qui s’inscrivait dans le cadre du programme national britannique de technologies quantiques en cours.
L’article intitulé « Single-qubit gates with errors at the 10-7 level » devrait être publié dans Physical Review Letters. DOI : 10.1103/42w2-6ccy
