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Ordinateur quantique : corrigera-t-on les erreurs avec le diamant ?

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Plutôt que de tenter d'affronter de face l'obstacle de la décohérence en isolant le plus possible un ordinateur quantique de son environnement, il est en théorie possible d'utiliser des codes correcteurs d'erreurs quantiques. On développe cette stratégie par exemple avec des registres quantiques portés par des noyaux de carbone dans du diamant.

Pour mettre en pratique un code quantique correcteur avec trois qubits, on réalise l'intrication de chaque qubit d'un registre quantique avec deux autres qubits. En mesurant l'état intriqué d'une façon appropriée, on peut vérifier que le bruit généré par l'environnement dans ce registre a ou non produit des erreurs, qu’il est ensuite possible de corriger. Cette stratégie de lutte contre la décohérence a déjà été utilisée avec des pièges à ions et des circuits quantiques supraconducteurs. On est en train de l'appliquer aux mémoires quantiques nucléaires en diamant. © FOM

Impossible de battre des ordinateurs classiques à plate couture avec des ordinateurs quantiques si l'on ne trouve pas un moyen de contourner l'obstacle de la décohérence. Dans ce but, des laboratoires de par le monde étudient plusieurs systèmes physiques capables de porter des qubits sur lesquels on peut opérer avec des portes logiques. L'idée centrale est de trouver le moyen d'isoler suffisamment longtemps ces qubits du bruit, par exemple thermique, généré par l'environnement. On essaye donc de faire en sorte qu'il soit possible de profiter au maximum de l'effet de calcul en parallèle de la superposition quantique des états avec un grand nombre de qubits. Parmi les voies de recherche prometteuses, on peut citer celle des pièges à ions, ainsi que celle des circuits supraconducteurs.

Une autre voie consiste à utiliser des qubits portés par des centres colorés azote-lacune dans des diamants. C'est celle qu'explorent par exemple les auteurs d'un article publié récemment dans Nature Nanotechnology. Ils ne sont pas les premiers à le faire, mais l'originalité de leur travail repose sur le fait qu'ils ont mis en pratique un code quantique. Il s'agit de l'analogue dans le domaine de l'information quantique des codes correcteurs d’erreurs bien connus dans le cadre de la théorie de l'information classique. En eux-mêmes, les codes quantiques sont aussi un moyen de lutter contre les effets de la décohérence.

Cette image de microscopie électronique montre un élément d'un processeur quantique formé d'un hémisphère de diamant. Le spin de l'électron (violet) sert à contrôler un registre quantique porté par les spins nucléaires (jaunes et verts) des atomes de carbone. L'ensemble a été utilisé pour mettre en pratique un algorithme de correction d'erreurs quantiques. © FOM

Code quantique avec des qubits intriqués

Dans le cas bien étudié du traitement de l'information classique, les codes correcteurs d'erreurs sont le plus souvent appliqués à la transmission de données pour éliminer les effets du bruit. Il s'agit de techniques de codage basées sur la redondance permettant de détecter et de corriger des erreurs dans un message transmis. Elles trouvent aussi des applications avec les disques durs et les RAM. Un exemple de code célèbre est celui de Hamming, que cite Richard Feynman dans ses leçons sur l'informatique. L'idée d'un code correcteur peut être rapidement saisie avec l'exemple des signaux en binaires que l'on transmet avec des « 0 » et des « 1 ». En triplant les données, par exemple en envoyant systématiquement « 000 » et « 111 » pour chaque « 0 » et chaque « 1 », on peut vérifier qu'une erreur de transmission n'a pas été commise en comptant le nombre de répétitions d'un bit donné. Ainsi « 001 » ou « 011 » seront des indicateurs d'une telle erreur. Une correction sera effectuée en tenant compte de la majorité de « 0 » ou de « 1 ».

Le problème avec les qubits, c'est que l'on ne peut pas faire des copies d'un état quantique. On peut démontrer un théorème de non-clonage. On ne peut donc vérifier l'information quantique portée par un état en la comparant à celle contenue dans plusieurs copies de cet état. Heureusement, il est possible d'intriquer chaque qubit avec plusieurs autres, de sorte qu'il soit possible de détecter des erreurs lors d'un traitement de l'information et d'y remédier. L'état intriqué à plusieurs qubits porte en effet la mémoire du qubit utilisé pour les calculs quantiques. Tout le problème est de pouvoir mettre en œuvre un code de correction quantique de cette façon avec un grand nombre de qubits, et pour une longue durée de calcul. Ce qui ne va pas de soi.

L'équipe de chercheurs qui a travaillé avec les noyaux de carbone du diamant, portant des qubits sous forme de spins, vient d'annoncer qu'elle avait réussi à mettre en pratique un code quantique avec trois qubits intriqués. L'opération s'est faite à température ordinaire, alors que les expériences précédentes nécessitaient des températures très basses. Reste à savoir si cette méthode pourra vraiment être utilisée pour protéger suffisamment longtemps un ordinateur quantique des effets de la décohérence en lui permettant d'effectuer des calculs longs, par exemple pour tenter de réfuter la conjecture de Riemann.