Un test du matériel quantique de Google réduit 40 fois les erreurs des états magiques

Un test matériel pour un problème difficile de l’informatique quantique

Des chercheurs de Google Quantum AI ont démontré une technique appelée culture d’états magiques sur le processeur supraconducteur Willow de l’entreprise, faisant état d’une réduction par 40 des erreurs dans les états quantiques préparés. Le résultat, publié dans Science, est présenté comme le premier test matériel réussi de cette approche.

Ces travaux s’attaquent à un obstacle central de l’informatique quantique : les qubits sont fragiles. Contrairement aux bits numériques classiques, les bits quantiques peuvent être perturbés par leur environnement et par des imperfections de contrôle. Ces erreurs rendent les calculs fiables extrêmement difficiles, en particulier les opérations avancées nécessaires aux ordinateurs quantiques utiles et tolérants aux fautes.

L’expérience porte sur les « états magiques », des états quantiques spécialement préparés pour les calculs avancés. Produire des états magiques de haute qualité constitue un défi majeur, car même une petite erreur dans l’état peut compromettre un calcul plus vaste. Le résultat de Google ne supprime pas le défi plus large de l’informatique quantique tolérante aux fautes, mais il montre une voie pour améliorer un ingrédient important sur du matériel réel.

De la distillation à la culture

Une méthode connue pour améliorer les états magiques est la distillation d’états magiques. En termes généraux, la distillation filtre les défauts des ressources quantiques. Elle peut fonctionner, mais elle mobilise beaucoup de ressources : produire un nombre plus réduit d’états utiles peut nécessiter une quantité importante de matériel et de calcul.

La culture d’états magiques est une proposition différente. Plutôt que de s’appuyer sur le même type de filtrage gourmand en ressources, elle cherche à nettoyer directement un état magique bruité au sein d’un qubit protégé. Cette protection repose sur l’encodage de l’information quantique dans plusieurs qubits physiques, au lieu de la placer entièrement dans un seul composant vulnérable.

Dans l’expérience Willow, l’équipe a volontairement commencé avec des erreurs à corriger. Les chercheurs ont encodé un état magique bruité dans une petite grille de qubits physiques. Ils ont ensuite utilisé des qubits auxiliaires pour vérifier la présence d’erreurs dans l’information encodée sans détruire les délicates données quantiques.

Lorsque les vérifications révélaient un défaut, la tentative était abandonnée et le système recommençait. Lorsqu’une tentative franchissait toutes les vérifications, l’état magique affiné était conservé pour la suite du traitement. Cette post-sélection est importante : la méthode ne prétend pas que chaque tentative réussit. Elle vise plutôt à identifier les cas où l’état protégé recherché a survécu aux vérifications.

Ce que signifie le chiffre de 40 fois

Selon les chercheurs, la culture a réduit l’erreur d’un facteur 40. Les états magiques retenus ont atteint une fidélité d’au moins environ 99,99 %, une mesure de leur ressemblance avec l’état prévu.

Ce chiffre illustre également pourquoi la mesure représente un défi dans ce domaine. Si les erreurs restantes sont très faibles, il faut une vérification minutieuse pour démontrer qu’elles le sont. L’équipe a mis au point une technique appelée tomographie par retour pour détecter les erreurs restantes avec moins de mesures que les méthodes conventionnelles.

Le filtrage était sélectif. Environ 8 % seulement des tentatives initiales ont passé toutes les vérifications. Ce compromis fait partie de la question pratique entourant la culture : une technique peut améliorer considérablement la qualité des états retenus tout en exigeant des tentatives répétées. La comparaison pertinente ne porte donc pas seulement sur le taux d’erreur des états survivants, mais sur le coût total nécessaire pour en créer suffisamment en vue d’un calcul utile.

Pourquoi les états magiques sont importants

Les processeurs quantiques exécutent certaines opérations plus naturellement que d’autres. Pour les formes les plus exigeantes de calcul quantique, les chercheurs ont besoin de ressources soigneusement préparées permettant au système d’effectuer les opérations avancées nécessaires. Les états magiques constituent l’une de ces ressources.

Le coût de production d’états magiques fiables peut donc influencer l’échelle et la conception d’une future machine tolérante aux fautes. Une méthode qui produirait de meilleurs états avec moins de ressources globales pourrait avoir une portée bien supérieure à celle d’une démonstration menée dans un seul laboratoire. À l’inverse, un résultat solide sur un composant ne suffit pas à établir l’existence d’un ordinateur quantique complet et tolérant aux fautes. Il devra finalement s’intégrer à des qubits fiables, à la détection des erreurs, aux systèmes de contrôle et aux autres éléments d’une architecture complète.

Le résultat de Willow est remarquable parce qu’il applique aux imperfections d’un processeur supraconducteur une approche qui n’avait encore jamais été testée avec succès sur du matériel réel. L’expérience fait ainsi passer l’idée du statut d’option théorique à celui de résultat d’ingénierie pouvant être évalué face aux contraintes matérielles.

Une étape importante, mais des questions pratiques encore ouvertes

Le résultat rapporté doit être considéré comme la démonstration d’un outil prometteur, et non comme l’annonce de la résolution de la correction des erreurs quantiques. L’expérience montre que des états bruités protégés peuvent être filtrés et affinés, et que les états retenus qui en résultent peuvent présenter une erreur nettement plus faible.

Son importance tient à l’association des performances matérielles et de la vérification. L’équipe ne s’est pas contentée de proposer que la culture devrait fonctionner : elle a encodé un état bruité, utilisé des qubits auxiliaires pour le vérifier, écarté les tentatives échouées et mesuré la qualité des états survivants. La nouvelle méthode de tomographie a contribué à rendre ces mesures réalisables au niveau d’erreur rapporté.

Dans l’informatique quantique, les progrès passent souvent par ce type d’avancées au niveau des composants. Une meilleure préparation d’une ressource essentielle peut modifier l’équilibre d’ingénierie des systèmes plus vastes, même si de nombreuses étapes difficiles restent à franchir. Le résultat de Google Quantum AI, avec une réduction par 40, montre que la culture d’états magiques mérite d’être étudiée aux côtés d’approches plus établies dans la quête d’un calcul quantique fiable.

Cet article s’appuie sur un reportage de Phys.org. Lire l’article original.