Une invention néerlandaise rapproche l’ordinateur quantique

K.W. Wesselink – Schram MSc (Kees)

Une invention de Twente améliore la qualité des particules de lumière (photons) à tel point que la construction d’ordinateurs quantiques basés sur la lumière devient moins chère et plus pratique. Les chercheurs ont publié leurs travaux dans la revue scientifique Physical Review Applied. « Cette technologie est un élément essentiel de tout futur ordinateur quantique photonique.

Les ordinateurs quantiques sont à un point tournant : les géants de la technologie et les gouvernements investissent des milliards, mais il existe deux obstacles fondamentaux : la quantité de qubits et la qualité de ces qubits. Les chercheurs de l’UT ont inventé un composant pour un ordinateur quantique photonique qui échange la quantité contre la qualité, et ont montré que cet échange permet d’augmenter la puissance de calcul.

« Notre découverte rapproche considérablement l’avenir d’ordinateurs quantiques puissants. Cela signifie de meilleurs médicaments, de nouveaux matériaux et des communications plus sûres. Mais aussi des applications que nous ne pouvons pas encore imaginer aujourd’hui », indique Jelmer Renema, chercheur principal.

Des photons parfaits pour des ordinateurs quantiques sans erreur

Les chercheurs de Twente ont mis au point une méthode pour corriger ces erreurs à un stade précoce et améliorer la qualité des photons. « Pour un ordinateur quantique photonique, il faut des photons de très haute qualité. Notre technique garantit que seuls les meilleurs photons sont conservés, ce qui est crucial pour des calculs fiables », ajoute Jelmer Renema.

Les ordinateurs quantiques étant extrêmement sensibles aux erreurs, les méthodes précédentes nécessitaient des centaines de photons physiques pour fabriquer un seul qubit fiable. La méthode des chercheurs de Twente peut remplacer une partie de la correction d’erreur requise, ce qui nécessite beaucoup moins de photons. En fin de compte, cela rend les ordinateurs quantiques moins chers et plus accessibles.

Filtrer sans connaître le problème

Alors que les méthodes précédentes se concentraient sur la correction d’erreur a posteriori, les chercheurs de l’UT se sont attaqués au problème à la source. Ils ont conçu un nouveau composant capable de distiller commodément un seul photon de haute qualité à partir d’une brassée de photons imparfaits. Pour ce faire, ils ont conçu un circuit optique composé de guides de lumière et de détecteurs programmables. En exploitant les propriétés quantiques de la lumière, ils ont créé un état semblable à celui du « chat de Schrödinger », dans lequel les photons sont plus susceptibles d’avoir de « bonnes » propriétés que de « mauvaises ». Comme dans la célèbre expérience de pensée de Schrödinger, c’est la mesure qui détermine en fin de compte si un photon a conservé les propriétés souhaitées.

Au lieu d’accepter des photons imparfaits et de les corriger ultérieurement, la nouvelle méthode filtre directement les photons parfaits. Bien que le filtrage de chaque photon parfait nécessite le sacrifice de plusieurs photons imparfaits, cela réduit le nombre total de photons nécessaires. Cela permet d’économiser une énorme quantité de puissance de calcul et de rendre les ordinateurs quantiques moins chers et plus efficaces. En utilisant un circuit optique avec des interrupteurs programmables, les chercheurs peuvent filtrer les mauvais photons sans avoir à connaître exactement la cause de l’erreur.

« Normalement, vous devez décider à l’avance ce que vous filtrez, comme un filtre de couleur qui ne laisse passer que la lumière rouge. Nous pouvons maintenant filtrer sans savoir à l’avance quel est le problème », commente Frank Somhorst, étudiant en doctorat.

Dans tous les futurs ordinateurs quantiques

Si les ordinateurs quantiques photoniques sont un jour déployés à grande échelle, les chercheurs affirment que cette invention de Twente en constituera un élément fondamental. Comme pour les ordinateurs classiques, il en va de même pour les ordinateurs quantiques : une mauvaise entrée entraîne une mauvaise sortie. En s’attaquant considérablement au bruit à l’avant du système, il est moins nécessaire de le corriger par la suite.

« Tout ordinateur quantique photonique pratique aura besoin de cette technique pour effectuer des calculs sans erreur », explique M. Renema.

Twente occupe une position solide dans le domaine de la photonique et de la technologie quantique. Plusieurs chercheurs de l’UT travaillent depuis des années sur la direction des photons par interférence, ce qui nous donne un avantage unique. « Grâce à cette avance, nous pouvons désormais nous concentrer sur l’informatique quantique universelle à grande échelle et, à mon avis, c’est exactement la raison pour laquelle cette découverte devait être faite à l’UT », conclut M. Renema.

M. Somhorst a publié cette recherche avec Kite Sauër, Stefan van den Hoven et le Dr Jelmer Renema (tous membres d’AQO) dans la revue scientifique Physical Review Applied. Publication : « Photon distillation schemes with reduced resource costs based on multiphoton Fourier interference » (schémas de distillation de photons avec coûts de ressources réduits basés sur l’interférence de Fourier multiphotonique). Des recherches similaires ont été publiées au même moment par le laboratoire Ames de la NASA. DOI: 10.1103/PhysRevApplied.23.044003