Fiabilité accrue des ordinateurs quantiques

Une découverte fondamentale de chercheurs de l’Université de Sherbrooke pourrait accélérer la course au développement des futurs ordinateurs quantiques dont la puissance de calcul atteindrait des sommets presque inimaginables. David Poulin, professeur à la Faculté des sciences, et Guillaume Duclos-Cianci, étudiant à la maîtrise en physique, ont trouvé une méthode qui permettrait enfin de lire l’information des ordinateurs quantiques considérés parmi les plus prometteurs : les ordinateurs quantiques topologiques.

«Il n’y a maintenant plus d’obstacle fondamental majeur pour la réalisation d’un ordinateur quantique topologique», affirme le professeur Poulin. Cette méthode, basée sur un algorithme du groupe de renormalisation, a été publiée le 5 février dans la revue Physical Review Letters, et fait suite en moins d’un an à trois autres publications du professeur Poulin dans cette prestigieuse revue de physique.

Le défi de la correction d’erreurs

Tout d’abord, même si des chercheurs ont déjà réussi à opérer des calculs avec des systèmes composés de quelques bits quantiques, les véritables ordinateurs quantiques composés de centaines ou de milliers de bits quantiques n’existent pas encore.

Une des faiblesses majeures de ces ordinateurs est leur sensibilité extrême aux imperfections de conceptions ou de traitement de l’information. «Afin de combattre ces imperfections, un ordinateur quantique fait de la correction d’erreur environ 99 % du temps de calcul», ajoute David Poulin.

Actuellement les plus robustes, les ordinateurs quantiques topologiques seraient théoriquement fonctionnels à condition que ces erreurs demeurent sous un seuil d’environ 1 %. Malheureusement, jusqu’à présent les scientifiques ne savaient pas comment lire les données stockés dans ces ordinateurs.

«Notre algorithme règle le problème de la lecture de l’information dans un ordinateur quantique qui emmagasine les données dans des degrés de liberté topologique», assure David Poulin.

L’ordinateur quantique topologique en papier...

Le calcul topologique est indépendant des technologies qui seront choisies pour bâtir les futurs ordinateurs quantiques. Il s’apparente grossièrement à une couche logicielle primaire d’un ordinateur. Pour comprendre simplement la robustesse de l’information emmagasinée par ce type de calcul, le chercheur déchire une bande de papier qu’il place sur son bureau. La bande aplatie représente le zéro d’un bit informatique alors qu’en rapprochant légèrement ses extrémités, elle forme un pont qui représente le un.

Malheureusement, les imperfections générées par les systèmes électroniques, appelées le bruit, se traduisent par des modifications incontrôlées de l'état des bits. Dans cette représentation, le bruit se traduit par une série d’ondulations de la bande de papier. Elle ne forme alors plus un pont unique ou une bande parfaitement aplatie. Une mesure à un moment et à un endroit précis ne permet donc pas de savoir si la forme est aplatie ou non et donc que l’information stockée dans ce bit quantique en papier est zéro ou un.

Pour déjouer les effets du bruit sur l’information, les scientifiques ont alors eu l’idée d’encoder les bits différemment par une caractéristique topologique des systèmes. Le zéro du bit quantique en papier peut être représenté par une boucle fermée en accolant simplement les deux extrémités de la bande. Le un est représenté par une boucle fermée dont l'une des extrémités aurait été tournée de 180 degrés avant de l’accoler à l’autre extrémité. On s’aperçoit en la parcourant du doigt que cette forme, appelée ruban de Moebius, n’a qu’une face alors que la première boucle en a deux. L’information topologique obtenue, soit une ou deux faces, a l’avantage d’être insensible aux ondulations locales de la forme.

Des méthodes physiques adaptées à l'informatique

Le défi des physiciens de l’UdeS a été de trouver comment extraire rapidement certaines caractéristiques topologiques du système à partir de mesures sur un petit nombre de bits.

«Il a fallu mettre au point un algorithme pour déduire une structure globale à partir d'informations locales. Pour y parvenir, nous avons adapté des méthodes non conventionnelles empruntées à la physique, les groupes de renormalisation, pour faire de la correction d’erreur en informatique quantique, explique le professeur Poulin. Même si beaucoup de travail reste à faire dans ce domaine, la preuve de principe de notre méthode est maintenant faite», conclut le chercheur.

Cette nouvelle méthode permet d’attaquer maintenant plusieurs autres problèmes : augmenter le seuil de tolérance aux erreurs; refaire des simulations réalistes avec des milliers de bits quantiques; faire de nouvelles simulations avec de nouveaux codes correcteurs d’erreurs.

Toutefois, David Poulin concède que les champs de recherche à explorer avant d’arriver un jour à un ordinateur quantique fonctionnel sont si nombreux que pour l’instant, il choisit de se contenter de preuves de principe. Cette méthode de travail lui permet d'attaquer plusieurs problèmes fondamentaux.

Lorsque les connaissances seront suffisamment avancées dans plusieurs domaines de l’informatique quantique, les spécialistes pourront alors raffiner les méthodes comme celle que vient de découvrir l’équipe de Sherbrooke.