Un processeur quantique en silicium détecte les erreurs d’un seul qubit tout en préservant l’intrication

Une avancée pour fiabiliser le calcul quantique

Les ordinateurs quantiques représentent une voie alternative fascinante pour le traitement de l’information. Ces machines exploitent des effets mécaniques quantiques, tels que l’intrication entre différentes particules. Ce phénomène d’intrication établit un lien si fort entre les particules qu’elles partagent des états : mesurer l’une affecte instantanément les autres, quelle que soit la distance qui les sépare. En principe, ces dispositifs pourraient surpasser les ordinateurs classiques pour certaines tâches d’optimisation et de calcul.

Cependant, cette technologie prometteuse fait face à un obstacle majeur : sa sensibilité extrême aux perturbations environnementales, qualifiées de « bruit ». Ce bruit engendre des erreurs quantiques qui nuisent gravement aux calculs. C’est dans ce contexte qu’une équipe de chercheurs de l’Académie internationale quantique, de l’Université des sciences et technologies du Sud et du Laboratoire national de Hefei a développé une nouvelle approche.

Leurs travaux, présentés dans un article publié par la revue Nature Electronics, détaillent une stratégie de détection d’erreurs au sein d’un processeur quantique à base de silicium. Le résultat est probant : la méthode permet de détecter avec succès les erreurs quantiques dans les qubits de silicium, tout en préservant l’intrication précieuse après leur détection.

Le silicium et le phosphore au cœur du dispositif

Pour mener à bien cette expérience, les scientifiques se sont appuyés sur une architecture matérielle spécifique. Le professeur Yu He, co-auteur principal de l’article, a détaillé la nature du dispositif utilisé lors d’un entretien accordé à Phys.org. Il explique la structure atomique au cœur de leur processeur.

Le chercheur précise : « Dans ce travail, nous avons utilisé les spins nucléaires de donneurs de phosphore dans un cluster de silicium pour coder l’information quantique, le dispositif à l’échelle atomique fonctionnant comme un processeur d’information quantique. » Cette utilisation du silicium et du phosphore ancre la recherche dans des matériaux familiers de l’industrie des semi-conducteurs, tout en exploitant des propriétés quantiques avancées.

Au-delà de l’aspect technique, le professeur He souligne la vision à long terme qui guide ces travaux : « Ce qui nous motive et nous inspire, c’est le rêve plus large de l’informatique quantique elle-même. Pour que les ordinateurs quantiques deviennent vraiment pratiques, ils doivent atteindre la tolérance aux pannes — et cela signifie que les défis en cours de route doivent d’abord être identifiés et relevés. »

La méthode des stabilisateurs : surveiller sans détruire

Au cours des dernières décennies, les ingénieurs quantiques ont multiplié les approches pour améliorer la fiabilité des processeurs, visant un fonctionnement tolérant aux pannes. S’appuyant sur des travaux antérieurs, le professeur He et ses collègues ont mis au point une stratégie de détection d’erreurs de haute fidélité reposant sur la mesure des « stabilisateurs ». Les stabilisateurs sont des règles mathématiques décrivant les propriétés qu’un état quantique correct doit posséder.

Le principe est logique : si le processeur fonctionne sans erreur, les mesures des stabilisateurs s’alignent sur ces règles mathématiques. À l’inverse, une mesure qui diffère des prédictions signale qu’une erreur s’est produite. Le professeur He explique la nécessité technique de cette méthode : « Pour réaliser des stabilisateurs pour la détection d’erreurs quantiques, nous avons besoin de circuits quantiques capables d’une lecture d’erreurs à haute fidélité et sans démolition quantique (QND). »

La lecture « sans démolition quantique » est cruciale car elle permet de vérifier l’état du système sans détruire l’information fragile qu’il contient. C’est cette capacité à surveiller le système sans le perturber qui constitue le cœur de l’innovation présentée par l’équipe de recherche.

Une architecture de circuit optimisée

Pour évaluer concrètement leur approche, les chercheurs ont conçu un petit processeur quantique à base de silicium composé de quatre qubits de spin nucléaire intriqués et d’un qubit de spin électronique. Les quatre spins nucléaires du système étaient fortement intriqués via ce que l’on appelle un état Greenberger-Horne-Zeilinger (GHZ) à quatre qubits. Le circuit utilisé, crédité à Zhang et ses collaborateurs, a été optimisé pour l’efficacité.

Le professeur He détaille l’architecture employée : « À cette fin, nous avons utilisé un circuit avec des exigences minimales en ressources : deux qubits codent l’information quantique, tandis que deux qubits auxiliaires supplémentaires sont utilisés pour la lecture du stabilisateur. La conception du circuit exploite le cluster de donneurs entièrement connecté, ce qui rend la compilation du circuit relativement simple, et les spins nucléaires, qui permettent une lecture QND à haute fidélité — et, à son tour, une détection d’erreurs à haute fidélité via des stabilisateurs. »

En implémentant cette détection d’erreurs basée sur les stabilisateurs sur ce processeur, l’équipe visait à repérer tous les types possibles d’erreurs affectant les qubits individuels. Cette démarche leur a également permis de mettre en lumière les erreurs les plus fréquentes dans leur système informatique quantique à base de silicium.

Vers des ordinateurs quantiques tolérants aux pannes

Les premiers tests de l’équipe se sont révélés fructueux. La stratégie proposée a permis de détecter des erreurs au niveau d’un seul qubit sans provoquer de décohérence ni de perte d’information conséquente. « Nous avons démontré qu’un système de qubits de spin en silicium peut effectuer une détection d’erreurs quantiques à l’aide de stabilisateurs, établissant un pilier clé du calcul quantique tolérant aux pannes », a déclaré le professeur He.

Une découverte particulière a retenu l’attention des chercheurs : la présence d’un « bruit biaisé ». Le professeur He souligne l’importance de ce phénomène : « Il est important de noter que notre circuit a également révélé la présence de bruit biaisé — bien qu’il s’agisse d’une caractéristique attendue dont la détection directe via des stabilisateurs est également très excitante. Cette découverte suggère que le système peut exploiter un tel bruit biaisé, permettant des seuils assouplis dans la correction d’erreurs quantiques et rendant la mise à l’échelle vers un ordinateur quantique tolérant aux pannes plus réalisable. »

L’équipe regarde désormais vers l’avenir, avec l’ambition de tester cette approche sur des processeurs dotés d’un plus grand nombre de qubits. Le professeur He conclut sur leurs perspectives : « Notre prochain objectif est de construire un processeur quantique logique minimal — capable de préparer des états logiques, de mettre en œuvre des portes quantiques logiques universelles et de démontrer des algorithmes logiques simples — faisant ainsi progresser le domaine dans le royaume de l’informatique quantique logique. » Il ajoute : « Avec le travail actuel, cela représenterait un pas en avant significatif pour l’informatique quantique tolérante aux pannes. »

Selon la source : phys.org

Créé par des humains, assisté par IA.