La promesse de l’informatique quantique est de résoudre des problèmes complexes plus rapidement et de manière plus économe en énergie que les supercalculateurs actuels – de l’optimisation des processus logistiques à la simulation de molécules. Cet objectif se rapproche à mesure que le nombre de qubits – les unités de calcul de l’informatique quantique – augmente. Mais au-delà des défis technologiques liés au passage à l’échelle, il existe un autre problème moins étudié : dans le New Journal of Physics (DOI : 10.1088/1367-2630/ae6e68), des chercheurs du Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) montrent que dans des cas extrêmes, l’effet Zeno quantique, comme on l’appelle, peut presque arrêter les processus de calcul à mesure que le nombre de qubits augmente – un phénomène redouté comparable au « gel » d’un ordinateur classique.
« L’effet Zeno quantique est un obstacle jusqu’ici négligé pour une certaine classe d’ordinateurs quantiques », explique le Dr Gernot Schaller, responsable des technologies quantiques à l’Institut de physique théorique du HZDR. Ces ordinateurs dits adiabatiques fonctionnent selon un principe particulier : leurs qubits sont toujours dans leur état fondamental, l’état de plus basse énergie. Pour résoudre un problème de calcul, le paysage énergétique des qubits est progressivement modifié – assez lentement pour qu’ils s’adaptent en continu et suivent l’état fondamental changeant. Une fois la transformation terminée, l’état fondamental encode immédiatement la solution du problème.
« Les algorithmes adiabatiques sont considérés comme robustes et peuvent être exécutés par des ordinateurs quantiques en grande partie indépendamment du matériel utilisé », explique le directeur de l’institut, le professeur Ralf Schützhold. Peu importe donc que les qubits soient générés à l’aide de supraconducteurs à l’état solide ou d’ions individuels confinés dans des pièges électromagnétiques. Ces deux variantes matérielles sont déjà utilisées pour tester des algorithmes adiabatiques qui peuvent être programmés avec élégance et relative facilité.
Quand les perturbations deviennent un problème
« Cependant, un ordinateur quantique ne peut fonctionner correctement que si ses qubits ne sont pas trop perturbés », souligne Schützhold. Un blindage contre les rayonnements électromagnétiques et un refroidissement à des températures proches du zéro absolu – moins 273,15 degrés Celsius – aident à protéger les qubits de ces perturbations. Ce n’est qu’alors qu’ils peuvent prendre tous les états possibles entre zéro et un – une propriété connue sous le nom de superposition. Leur lien quantique, appelé intrication, est également très sensible aux perturbations extérieures. Seule l’interaction de la superposition et de l’intrication permet de résoudre des problèmes complexes extrêmement rapidement.
« Mais malgré toutes ces mesures, les influences environnementales sur les qubits ne peuvent jamais être totalement éliminées », affirme Schützhold. Selon le modèle théorique développé par l’équipe de Schützhold, les ordinateurs quantiques adiabatiques deviennent de plus en plus sensibles aux perturbations à mesure qu’ils montent en échelle et que le nombre de qubits augmente. En effet, plus les qubits sont liés, plus les changements du paysage énergétique qu’ils doivent suivre sont petits. « C’est là que l’effet Zeno quantique entre en jeu », explique Schaller. De minuscules influences environnementales peuvent alors affecter les états quantiques des qubits. « Chaque perturbation agit comme une mesure indésirable, ralentissant l’évolution du système », ajoute Schaller. « Dans le pire des cas, un calcul pourrait même geler complètement ».
Pour mieux comprendre le principe, comparons-le à la pâtisserie : un gâteau ne réussira que s’il peut lever au four sans être dérangé. Si vous ouvrez sans cesse la porte du four pour vérifier sa cuisson, vous perturbez le processus de cuisson – le gâteau reste plat, voire s’affaisse. L’effet Zeno quantique fonctionne de manière similaire : chaque perturbation interrompt l’évolution naturelle de l’état quantique. Si cela se produit trop souvent, le système ne pourra plus atteindre l’état final souhaité. Dans le cas le plus extrême, le processus de calcul s’arrête presque complètement.
Cependant, les développeurs d’ordinateurs quantiques peuvent agir pour atténuer l’effet Zeno quantique, par exemple en assurant un blindage contre les rayonnements électromagnétiques et la chaleur. Dans notre analogie du gâteau, cela reviendrait à mettre un cadenas sur la porte du four. Schützhold propose également des mesures actives pour protéger le processus : « Grâce à la méthode d’écho de spin, nous pouvons appliquer des impulsions cohérentes pour réduire le couplage des qubits avec leur environnement ».
De retour dans la cuisine, le four chaufferait rapidement pendant de brèves périodes pour compenser chaque ouverture de porte. « Notre étude montre que nous ne pourrons développer des ordinateurs quantiques puissants que si nous prenons en compte les impacts environnementaux dès le départ », résume Schützhold.
Article : Quantum Zeno effect versus adiabatic quantum computing and quantum annealing – Journal : New Journal of Physics – Méthode : Computational simulation/modeling – DOI : Lien vers l’étude
Source : HZDR
