Des chercheurs de Rutgers, d’IBM et d’institutions partenaires ont montré qu’un ordinateur quantique peut vérifier ce qui se passe en son sein et réagir pendant qu’il fonctionne, en réinitialisant à plusieurs reprises des parties du système pour ramener un comportement chaotique sous contrôle.
Cette avancée constitue une étape essentielle vers la construction d’ordinateurs quantiques plus vastes et plus fiables.
Les ordinateurs quantiques d’aujourd’hui fonctionnent selon les règles inhabituelles qui régissent les atomes et autres particules extrêmement petites. Ils pourraient un jour résoudre des problèmes hors de portée des ordinateurs conventionnels — concevoir de meilleures batteries et des catalyseurs industriels plus propres, simuler des molécules et des matériaux trop complexes pour les ordinateurs actuels, et exécuter certains programmes d’intelligence artificielle.
Dans une étude publiée dans Nature Physics, des chercheurs de Rutgers, d’International Business Machines Corp. et d’institutions partenaires ont montré qu’un ordinateur quantique peut vérifier et réinitialiser à plusieurs reprises des parties de lui-même pendant son fonctionnement. L’expérience compte parmi les plus grandes démonstrations à ce jour de contrôle de rétroaction quantique en temps réel, une capacité considérée comme essentielle pour les futurs ordinateurs quantiques tolérants aux pannes.
La mise à l’échelle des ordinateurs quantiques exigera qu’ils identifient et corrigent les erreurs pendant leur fonctionnement, une capacité connue sous le nom de correction d’erreurs, qui permettra la construction d’un ordinateur quantique tolérant aux pannes. Un ordinateur quantique tolérant aux pannes est un ordinateur quantique capable de continuer à calculer correctement même si chacun de ses bits quantiques fait constamment de petites erreurs. Personne n’a encore construit un tel appareil.
« Pour construire un ordinateur quantique tolérant aux pannes, nous devons effectuer ces vérifications et corrections non pas une ou deux fois, mais un très grand nombre de fois au cours d’un calcul », a déclaré Jedediah Pixley, professeur au département de physique et d’astronomie de la Rutgers School of Arts and Sciences et directeur du Center for Materials Theory.
« Cette expérience est un jalon sur ce chemin », a déclaré Pixley, qui est également membre du Flatiron Institute, la division de recherche scientifique de la Simons Foundation à New York, et l’un des auteurs principaux de l’étude. « Elle dit : « D’accord, nous avons franchi une autre étape importante pour y parvenir. » »
Ce travail a également confirmé une prédiction concernant le comportement quantique. À mesure que les chercheurs augmentaient la fréquence à laquelle l’ordinateur vérifiait et réinitialisait ses unités fondamentales de stockage d’information, appelées qubits, le système passait brusquement du chaos à un état qu’ils pouvaient contrôler, montrant comment l’ordre peut émerger du désordre.
Les ordinateurs conventionnels stockent l’information dans des bits, dont chacun vaut soit 0, soit 1. Les ordinateurs quantiques utilisent des qubits, qui peuvent exister en superposition. Cela signifie qu’ils renferment plusieurs possibilités entre 0 et 1 jusqu’à ce qu’ils soient mesurés, moment où chacun produit un résultat ou l’autre.
Ces propriétés confèrent aux ordinateurs quantiques leur puissance potentielle, mais rendent l’information qu’ils portent extrêmement sensible. La chaleur, les signaux électromagnétiques parasites, les impulsions de contrôle imparfaites et les minuscules défauts du matériel peuvent altérer l’état d’un qubit. Avec le temps, les erreurs qui en résultent peuvent s’accumuler jusqu’à ce qu’un calcul ne puisse plus être considéré comme fiable.
« Le défi ne consistait pas simplement à mesurer un qubit, mais à le faire de façon répétée pendant que le reste du processeur continuait de fonctionner », a déclaré une autre auteure principale de l’étude, Maika Takita, chercheuse principale pour la correction d’erreurs quantiques et les expériences de circuits dynamiques chez IBM. « Cette expérience montre que le matériel actuel peut coordonner des opérations quantiques, des mesures et des réinitialisations des milliers de fois sur un grand système. »
Contrairement aux données informatiques ordinaires, l’information quantique ne peut pas simplement être copiée. Et sa mesure peut modifier ou détruire l’état utilisé. Une machine tolérante aux pannes doit détecter et corriger les erreurs de façon répétée sans perdre cette information.
Les chercheurs ont mené l’expérience sur un processeur IBM Quantum Heron de 156 qubits, l’un des processeurs quantiques les plus puissants au monde, en sélectionnant une chaîne connectée pouvant compter jusqu’à 100 qubits.
Ils ont programmé le système pour qu’il alterne entre deux tâches concurrentes.
La première agissait comme un brouilleur : elle mélangeait l’information entre qubits voisins, propageant le chaos à travers le système. Le processus est similaire au mélange répété d’un jeu de cartes. À chaque mélange, l’ordre d’origine devient plus difficile à reconnaître.
La seconde tâche servait de forme de contrôle : l’ordinateur vérifiait des qubits individuels et les réinitialisait si nécessaire. Répétées suffisamment souvent, ces réinitialisations poussaient le système vers un état simple et ordonné choisi par les chercheurs.
Au total, l’équipe a réalisé près de 5 000 opérations reliant des paires de qubits, ainsi que près de 5 000 vérifications et réinitialisations. Selon les chercheurs, il s’agissait de la plus grande démonstration réussie de cette approche à ce jour.
Les chercheurs contrôlaient la fréquence à laquelle l’ordinateur effectuait chaque tâche. En modifiant cet équilibre, ils pouvaient voir si le brouillage ou la réinitialisation prendrait le dessus.
Lorsque le brouillage survenait plus de la moitié du temps, le chaos l’emportait et le système restait chaotique. Lorsque les vérifications et les réinitialisations survenaient plus souvent, le contrôle l’emportait et les chercheurs pouvaient guider les qubits vers l’état ordonné souhaité.
À environ cinquante-cinquante, un léger changement dans la tâche survenant le plus souvent modifiait soudain l’ensemble du système. Les physiciens appellent un tel basculement spectaculaire une transition de phase, comme l’eau qui se fige en glace. Ici, les qubits basculaient ensemble d’un comportement chaotique vers un état que les chercheurs pouvaient contrôler.
« De petits changements peuvent entraîner des conséquences majeures et presque impossibles à prédire, comme l’idée classique selon laquelle un papillon qui bat des ailes en Afrique pourrait finir par contribuer à un ouragan frappant la Louisiane », a déclaré Justin Wilson, professeur agrégé de physique à la Louisiana State University et coauteur de l’étude. « Mais ce comportement incontrôlable peut être ramené sous contrôle en intervenant de manière aléatoire, et il existe un taux précisément défini auquel cela se produit. Il n’était pas évident que cette transition entre chaos et contrôle survive en physique quantique, mais nos résultats montrent que c’est le cas. »
Le projet a commencé par un pari amical lors de la fête d’anniversaire de l’épouse de Pixley en 2021 alors qu’il était encore à Rutgers et vivait à Highland Park, dans le New Jersey. Son collaborateur de longue date Sriram Ganeshan a parié qu’un effet quantique déroutant avait un équivalent en physique ordinaire, ce qui a conduit le groupe à développer une nouvelle théorie sur le contrôle du chaos quantique. Une conversation fortuite avec la physicienne d’IBM Barbara Jones a ensuite contribué à transformer la théorie en expérience. Pixley a perdu le pari et s’est acquitté de sa dette avec deux boules de glace aux myrtilles, après que Ganeshan et d’autres l’ont rejoint à l’Aspen Center for Physics, à Aspen, dans le Colorado.
Le processeur d’IBM a permis aux chercheurs de tester leur théorie sur des systèmes allant jusqu’à 100 qubits, bien au-delà de la vingtaine environ qu’ils pouvaient simuler sur des ordinateurs conventionnels, et les résultats correspondaient étroitement à leurs prédictions.
« Ce qui était frappant, c’est que la transition devenait plus nettement définie à mesure que nous étudiions des systèmes plus grands », a déclaré Haining Pan, chercheur postdoctoral à Rutgers au moment de l’étude et co-premier auteur. « L’accord entre l’expérience et la théorie a montré qu’il ne s’agissait pas d’une caractéristique accidentelle d’un petit circuit. C’était un comportement collectif émergeant à l’échelle du système quantique. »
En plus de Rutgers et d’IBM, des chercheurs affiliés au City College of New York, au CUNY Graduate Center, à l’Iowa State University, à l’Ames National Laboratory, à la Pennsylvania State University et à la Louisiana State University ont contribué à l’étude.
Journal : Nature Physics – DOI : Lien vers l’étude
Source : Rutgers U
