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Axe calcul et informatique quantique

Prototype de processeur quantique supraconducteur à 4 qubits en aluminium, le reste du circuit est en niobium. Chaque qubit est équipé d’un résonateur permettant de lire son état quantique et est couplé à un résonateur central utilisé pour les portes logiques à deux qubits (CEA/SPEC).

 

Un ordinateur quantique est un dispositif qui utilise les lois de la mécanique quantique afin de résoudre des problèmes algorithmiques plus efficacement qu’un ordinateur classique usuel. Le support de l’information est le qubit, et les états possibles d’un registre de N qubits sont non seulement les 2N états d’un registre classique de N bits, mais aussi toutes les superpositions quantiques de ces 2N états ! C’est ce qui donne sa puissance au calcul quantique.

Il existe plusieurs architectures possibles pour construire un ordinateur quantique, et la plus fréquemment considérée est assez proche de celle d’un ordinateur habituel. Le calcul commence en initialisant un registre de qubits, puis, selon l’algorithme que l’on souhaite réaliser, on applique une série de portes logiques qui vont changer l’état quantique du registre ; la solution du problème que l’on cherche est encodée dans l’état final du registre, qu’il suffit donc de mesurer. Cette tâche qui semble simple est en fait compliquée par l’extrême fragilité des superpositions d’états quantiques. Pour un système quantique parfaitement isolé, ces états resteraient stables ; mais dans toute expérience réelle les qubits sont inévitablement couplés à d’autres systèmes : lasers ou sources micro-ondes utilisées pour contrôler leur état quantique, fluctuations électriques ou magnétiques… cet « environnement » peut détruire la superposition et empêcher le calcul de s’achever. Ce phénomène appelé « décohérence » est l’obstacle majeur à la construction d’un ordinateur quantique. Pour minimiser cet effet, il faut tout d’abord réaliser les qubits avec des systèmes physiques qui soient « robustes » vis-à-vis de la décohérence. Parmi les systèmes physiques les plus avancés, on peut citer les ions piégés, les circuits supraconducteurs (utilisés avec succès par des groupes franciliens, voir figure), et les spins électroniques dans les semiconducteurs. Il est possible de combiner plusieurs de ces approches, et des groupes en IdF tentent d’associer des circuits supraconducteurs (pour le calcul) avec des spins (utilisés comme mémoire quantique). De manière générale, la recherche sur l’interfaçage de différents systèmes physiques fait partie intégrante de la recherche sur le calcul quantique. Mais dans tous les cas, les erreurs sont inévitables, ne serait-ce qu’à cause de l’imperfection des appareils électroniques qui contrôlent les opérations, il faut donc utiliser une version quantique des codes correcteurs d’erreurs. Trouver le meilleur codage quantique permettant une correction d’erreurs efficace est un sujet de recherche majeur du domaine. Grâce aux codes correcteurs, un faible taux d’erreur devient tolérable ; on parle de « calcul quantique tolérant aux erreurs » dès lors que le taux d’erreur est en dessous de ce seuil de tolérance.

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