« Un tel ordinateur quantique commencerait à dépasser les meilleurs supercalculateurs classiques en science des matériaux, en chimie… On approche de l’ère quantique. » L’optimisme est de rigueur pour Théau Perronin, directeur général et cofondateur d’Alice&Bob, deeptech française qui conçoit un calculateur quantique exploitant des qubits de chat - des qubits supraconducteurs inspirés du chat de Schrödinger.
La raison ? La publication, le 17 janvier 2024, d’une étude scientifique sur Arxiv – en attente de validation par des pairs – qui décrit une architecture grâce à laquelle l’arrivée de l’ordinateur quantique « utile » pourrait être anticipée. L’article est le fruit d’une collaboration entre Alice&Bob et l’Inria.
Une erreur tous les 100 millions d'opérations
« Cette architecture combine nos qubits de chat et le code de correction d’erreur LDPC (low density parity check), détaille Théau Peronnin. On peut envisager un ordinateur de 100 qubits logiques, construit à partir de 1500 qubits physiques, et dont le taux d’erreur serait de 10-8, soit une erreur tous les 100 millions d’opérations. A l’état de l’art actuel, une erreur survient tous les 100 ou 1000 opérations. »
Ces résultats, encore théoriques, suggèrent qu’il serait possible d’exécuter des circuits quantiques beaucoup plus longs sur ce type de machine, et donc de résoudre des problèmes plus complexes. Ils pourraient ainsi marquer un « point d’inflexion » dans la course à l’ordinateur quantique.
Pour rappel, les codes de correction d’erreur sont indispensables, autant à un système quantique qu’à un système classique (calculs, télécommunications..). Dans le principe, l’information initiale est encodée de façon redondante, sur des bits ou des qubits auxiliaires, de façon à ce qu’on puisse la retrouver si des données sont corrompues.
Protection native contre le « bit flip »
En informatique classique, un bit peut passer de 0 à 1 (bit flip) ou inversement à cause d’une perturbation externe. Dans le monde quantique s’ajoute l’erreur impliquant la phase du qubit.
De fait, dans un ordinateur quantique, la redondance des qubits, éléments très fragiles dont la cohérence est menacée à tout instant, doit être démultipliée pour que le calcul soit fiable. « L’approche historique est d’utiliser le code de surface, explique Théau Peronnin. On a besoin d’une matrice carrée de qubits physiques pour constituer un qubit logique, l’ordre de grandeur étant d’un pour mille. »
Ainsi, Google avait estimé en 2019 qu’il faudrait 20 millions de qubits pour exécuter l’algorithme quantique de Shor, conçu pour résoudre le problème de factorisation des nombres premiers, le socle des systèmes de chiffrement aujourd’hui.
Au printemps 2023, les chercheurs d’Alice&Bob et du CEA avaient montré que 350000 qubits de chat pouvaient suffire. Une réduction d’un facteur 60 due à une propriété native du qubit de chat, quasi-insensible au « bit flip ».
Un code de correction d'erreur usité
La récente publication du 17 janvier révèle un gain supplémentaire grâce à l’usage de LDPC, une famille de codes de correction d’erreur connue de longue date et utilisée dans les communications 5G ou Wifi. Le facteur de réduction total atteint alors 200.
« Le but de LDPC est de protéger l’information avec un minimum de bits supplémentaires échangés, explique Théau Peronnin. Mais, appliqué à un ordinateur quantique, cela impose généralement de réaliser des connexions entre qubits distants. »
Ce qu’a fait IBM dernièrement au prix d’une ingénierie très contraignante, indique Alice&Bob dans son communiqué. Dans ce domaine, le qubit de chat serait avantageux, selon Théau Peronnin : « On peut se contenter d’un code de correction LDPC classique pour corriger l’erreur de phase restante, en recourant seulement à des connexions entre qubits proches et en sachant comment exécuter des portes logiques. On est les premiers à démontrer cela. »
Le circuit quantique obtenu serait standard – si tant est que ce qualificatif convienne à des technologies aussi sophistiquées. « L’ingénierie reste simple, assure Théau Peronnin. En plus, les briques technologiques sont existantes et maîtrisées. »
Les 100 qubits prévus dans quatre ou cinq ans
Cette architecture novatrice sera bâtie autour de la puce Helium 1 d’Alice&Bob, dotée de 16 qubits de chat et présentée juste avant Noël dernier. « Elle est en cours de calibration et le taux d’erreur résiduel est encore assez élevé, admet Théau Peronnin. Mais elle nous servira à démontrer la réduction exponentielle des taux d’erreur. »
Helium 1 sera le fondement du premier qubit logique d’Alice&Bob, espéré par la deeptech dès cette année. Théau Peronnin évoque ainsi l’avènement des machines de type LISQ (logical intermediate-scale quantum, machines intermédiaires à qubits logiques) : « A la fin des années 2010, certains pensaient qu’il existerait des applications intermédiaires sur des qubits bruités (NISQ, noisy intermediate-scale quantum, ndlr) sans preuve algorithmique formelle. Mais on ne peut pas tromper la nature : si on veut une accélération exponentielle, il faut un ordinateur qui se comporte de manière quantique tout au long du calcul. »
Alice&Bob se donne quatre ou cinq ans pour réaliser une telle machine comportant 100 qubits logiques.
