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Construire un ordinateur quantique idéal

Jusqu’à présent, les erreurs sont restées le principal obstacle à la création d’ordinateurs quantiques efficaces.

Une technologie unique de bit quantique supraconducteur autocorrecteur, le qubit de chat, ouvre la voie à une informatique quantique universelle et résistante aux erreurs.

Une startup française développe actuellement le premier qubit de chat logique. Elle utilisera ensuite une approche modulaire pour passer à l’échelle et résoudre les problèmes les plus difficiles.

UNE TECHNOLOGIE UNIQUE

Une approche unique tire parti de la correction d’erreur autonome du qubit de chat supraconducteur.

Pourquoi construire un ordinateur à partir de systèmes quantiques ?

Contrairement à son homologue classique, un ordinateur quantique utilise des bits quantiques pour effectuer ses calculs. Un bit quantique ou qubit est un système physique à deux états notés |0> et |1>, tout comme un bit classique, mais avec une propriété cruciale : ces deux états peuvent être placés dans une superposition quantique. Dans les années 1980, les physiciens se demandaient quel intérêt pouvait avoir cette fascinante propriété. Ils ont ensuite développé le concept d’un ordinateur quantique et réalisé qu’il pouvait être extrêmement efficace pour résoudre des structures chimiques ou factoriser des nombres premiers. Quarante ans plus tard, alors que nous sommes sur le point d’exploiter leur puissance de calcul exponentielle, les ordinateurs quantiques sont au centre de l’attention et captivants.

Les ordinateurs quantiques conviennent à la résolution de tâches spécifiques connues pour être trop complexes pour un ordinateur classique, telles que des problèmes d’optimisation ou d’algèbre linéaire de grande dimension.

Bien sûr, vous n’utiliserez jamais un ordinateur quantique pour effectuer une simple multiplication. Ce serait comme essayer de couper du beurre avec un sabre laser : non seulement c’est disproportionné, mais c’est aussi très inefficace.

Si vous résolvez des problèmes d’optimisation, ce que font de nombreuses entreprises, l’informatique quantique peut vous donner un avantage concurrentiel significatif. Qu’il s’agisse d’optimiser un portefeuille financier ou de concevoir un vaisseau spatial, vous êtes confronté à un problème dont la complexité croît aussi rapidement que le nombre de variables. Un ordinateur quantique peut vous propulser vers la solution optimale et vous démarquer de vos concurrents comme jamais auparavant.

Vous faites du Deep Learning ou des simulations complexes de mécanique des fluides ? Imaginez à quel point l’augmentation exponentielle de votre vitesse de calcul pourrait élargir considérablement votre champ de possibilités ! L’algorithme quantique HHL exploite la puissance des ordinateurs quantiques pour repenser la façon dont nous résolvons l’algèbre linéaire. Tout comme les ordinateurs classiques des années 60 et 70 à leur époque, les ordinateurs quantiques amélioreront considérablement les capacités de conception des ingénieurs et déclencheront une révolution technologique mondiale. Et si vous preniez une longueur d’avance sur vos concurrents en vous y plongeant dès maintenant ?

Selon nous, la simulation numérique des matériaux ou de la structure moléculaire est le domaine d’application le plus intéressant. L’informatique quantique ouvre un monde de possibilités avec un impact significatif. Ainsi, même si l’on connaît parfaitement les règles qui régissent les molécules et les matériaux, il est presque toujours impossible de prédire exactement leurs propriétés. Celles-ci dérivent de la mécanique quantique et seul un ordinateur quantique peut les révéler avec précision. Selon vous, à quoi ressemblera le monde lorsque la conception des matériaux et des médicaments deviendra un problème d’ingénierie et non plus une science empirique ?

Pourquoi est-ce difficile ?

Le principal défi dans la construction d’un ordinateur quantique est l’extrême sensibilité aux propriétés exotiques de la mécanique quantique. Elles disparaissent dans un processus connu sous le nom de décohérence en raison d’interactions indésirables avec notre monde classique.

Prenons l’exemple de l’expérience de pensée du chat de Schrödinger : un chat est placé dans une boîte scellée dans une superposition quantique de l’état vivant ou mort. Lorsque la boîte est ouverte, le chat superposé apparaît au hasard dans l’un des deux états possibles : soit mort, soit vivant. C’est l’interaction du chat avec notre monde classique qui a détruit l’aspect quantique de l’état du chat.

Construire un ordinateur quantique implique donc de concevoir une boîte isolée dans laquelle on fait tourner des algorithmes quantiques. Mais, pour pouvoir les exécuter, l’ordinateur doit être contrôlable. D’où le principal paradoxe de cette quête extraordinaire : isoler une partie de notre univers tout en la contrôlant.

La seule erreur intrinsèquement liée aux systèmes quantiques est le “basculement de phase” ou déphasage

La décohérence entraîne des erreurs lors du calcul. Plus précisément, elle change aléatoirement la phase de superposition quantique induisant des erreurs appelées inversions de phase. Les bits quantiques souffrent également d’une erreur classique, le bit-flip qui permute aléatoirement |0> et |1>.

Étonnamment, le taux de basculement des bits dans les systèmes quantiques est supérieur de plusieurs ordres de grandeur à celui des systèmes classiques. Il n’y a pas de raison fondamentale à un tel écart : la seule erreur intrinsèquement liée aux systèmes quantiques est le changement de phase. Un bit quantique pionnier a été conçu, le qubit de chat, qui est probablement aussi insensible aux retournements de bit qu’un bit classique tout en restant à la fois cohérent et contrôlable. De cette façon, seules les inversions de phase doivent être activement corrigées. Ce qubit simplifie donc grandement la conception de l’ordinateur quantique idéal.

Les qubits de chat ne sont que la pointe de l’iceberg d’une nouvelle génération de bits quantiques, élégamment conçus pour être intrinsèquement à l’épreuve des erreurs et évolutifs. S’il ne s’agit peut-être pas de la solution miracle, le qubit de chat devrait déjà permettre la conception d’ordinateurs quantiques avec des taux d’erreur si faibles que la plupart des applications envisagées seront à portée de main.

Les scientifiques travaillent avec des circuits supraconducteurs qui constituent l’une des plateformes les plus prometteuses pour construire un ordinateur quantique. Ils offrent des performances de pointe avec un contrôle précis et une flexibilité de conception unique.

Parmi les circuits supraconducteurs mettant en œuvre des qubits, un en particulier, le transmon, a retenu le plus l’attention et a été choisi par de nombreux acteurs. Par nature, il a de longs temps de cohérence et est facile à fabriquer et à manipuler, ce qui en fait un candidat de choix. Cependant, malgré des progrès continus au cours des 10 dernières années, l’amélioration de son taux d’erreur a ralenti, ce qui rend nécessaire une correction active des erreurs quantiques pour faire de nouveaux progrès.

Parmi les nombreuses stratégies de correction d’erreur quantique, le code de surface a été le plus étudié théoriquement. Cependant, il est encore très difficile à mettre en œuvre en raison du grand nombre de qubits requis. En bref, le code de surface a besoin d’un tableau 2D de qubits pour effectuer une correction d’erreur quantique. Les deux dimensions sont nécessaires pour corriger les deux types d’erreur : les retournements de bit et les inversions de phase. Nous pouvons déjà imaginer comment nous pourrions gagner en utilisant un qubit avec un seul type d’erreur.

Le qubit de chat, tout comme de nombreux autres codes bosoniques (GKP, binomial) réduit le matériel nécessaire à la correction d’erreurs en exploitant le grand espace de Hilbert d’un oscillateur harmonique. Avec le même nombre de systèmes physiques, les codes bosoniques sont capables de délocaliser l’information quantique vers plus d’états, atteignant le même niveau de protection avec moins de systèmes physiques, une propriété connue sous le nom d'”efficacité matérielle”. Cet espace de dimension infinie devrait pouvoir stabiliser deux états particuliers, dans lesquels l’information quantique est encodée. Avec le qubit de chat, il est possible de le faire de manière autonome. Plus précisément, on réalise une dynamique simple capable de stabiliser deux états cohérents d’amplitude \alpha et de phase opposée dans un oscillateur harmonique. Cette stabilisation réduit la probabilité de retournement de bit (passant de +\alpha à -\alpha) de façon exponentielle en \alpha^2 tout en augmentant linéairement le taux de retournement de phase (probabilité de perdre 1 photon). Pour corriger l’erreur restante, un code de répétition linéaire peut être utilisé pour obtenir un taux d’erreur suffisamment faible pour les applications les plus percutantes (du déchiffrement RSA à la conception de nouveaux médicaments).

Comment s’opère cette stabilisation ? Classiquement, un système piloté non linéaire est conçu qui présente une génération de sous-harmoniques. En particulier, grâce au doublement de la période, on peut générer deux états stationnaires stables. De manière quantique, un résonateur hyperfréquence échange des photons par paires avec son environnement. Lorsqu’il est piloté, ce système possède deux états stationnaires, les états cohérents |\alpha> et |-\alpha> qui ne diffèrent que d’une phase \pi.

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