Il y a environ 20 ans, deux informaticiens ont proposé une technique particulière afin de téléporter une opération quantique entre deux points distincts, dans le but de rendre les ordinateurs quantiques plus fiables. À savoir qu’une porte quantique (ou porte logique quantique) est un circuit quantique élémentaire opérant sur un petit nombre de qubits.
Une équipe de chercheurs de l’Université Yale (Connecticut, États-Unis) a concrétisé cette idée en démontrant une approche pratique permettant de rendre évolutive cette technologie si délicate.
Ces physiciens ont mis au point une méthode pratique pour téléporter une opération quantique (ou porte quantique) sur une certaine distance et permettant d’en mesurer l’effet. Bien que cet exploit ait déjà été réalisé auparavant, cela n’avait jamais été fait en temps réel. Cette performance ouvre la voie au développement d’un processus capable de rendre l’informatique quantique modulaire, et donc plus fiable.
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Sommes-nous des ordinateurs quantiques ?
Contrairement aux ordinateurs classiques, qui eux effectuent leurs calculs avec des états de réalité appelés bits (1 ou 0), les ordinateurs quantiques fonctionnent avec des qubits. En informatique quantique, un qubit (ou qu-bit), est l’état quantique qui représente la plus petite unité de stockage d’information. C’est l’analogue quantique du bit.
Les bits, acheminés par des portes, constituent la base de tout calcul en ce qui concerne les ordinateurs classiques. Mais les qubits offrent une autre unité sur laquelle baser des algorithmes : plus qu’un simple 1 ou un 0, ils fournissent également un mélange spécial des deux états. En plus de pouvoir prendre 1 ou 0 comme valeur, un qubit peut également prendre une valeur superposée (des deux états de base), soit 0 et 1 en même temps, mais ne vaudra ni 1 ni 0.
En conjonction avec une version quantique d’une porte logique, les qubits peuvent donc permettre de faire ce que les bits classiques ne permettent pas, notamment au niveau de la puissance de calcul. Malheureusement, un problème subsiste : cet état indéterminé entre 1 et 0 devient un 1 ou un 0 (état défini) lorsqu’il devient partie intégrante d’un système mesuré. Et il y a pire encore, il ne faut pas grand-chose (en matière de perturbation des conditions de fonctionnement idéales) pour que le qubit soit réduit à néant, ce qui signifie qu’un ordinateur quantique peut devenir très onéreux si ces composants clés, très délicats, ne sont pas suffisamment bien soutenus au sein de la structure de l’ordinateur.
À l’heure actuelle, les ingénieurs informatiques spécialisés dans le domaine quantique sont très enthousiastes quant aux appareils qui soutiennent jusqu’à 70 qubits. Cependant, pour que les ordinateurs quantiques puissent réellement être efficaces, il faudrait qu’ils puissent atteindre des centaines, voire des milliers de qubits.
Afin de pouvoir mettre cela à l’échelle, les scientifiques ont donc besoin d’éléments supplémentaires. Une option serait de rendre la technologie aussi modulaire que possible, en mettant en réseau des systèmes quantiques plus petits afin de compenser les erreurs. Mais pour que cela fonctionne, les portes quantiques — ces opérations spéciales qui traitent la levée des qubits — doivent également être partagées.
La téléportation d’information, telle qu’une porte quantique, peut clairement nous faire penser à de la science-fiction. Mais en réalité, cela renvoie simplement au fait que les objets peuvent être enchevêtrés (au niveau quantique), de sorte que lorsque l’un est mesuré, l’autre s’effondre immédiatement dans un état apparenté, peu importe son éloignement.
Expérimentalement, cela a déjà été démontré, mais jusqu’à présent le processus n’avait jamais été effectué de manière fiable et mesuré en temps réel, ce qui est crucial afin de l’implémenter dans un ordinateur fonctionnel. « Grâce à notre travail, c’est la première fois que ce protocole a été mis à l’oeuvre là où la communication classique se produit en temps réel, ce qui nous permet de mettre en œuvre une opération « déterministe » qui effectue l’opération souhaitée à chaque fois », explique Kevin Chou, auteur principal de l’étude.
Les chercheurs ont utilisé des qubits en puces de saphir dans une configuration de pointe pour téléporter un type d’opération quantique appelé porte contrôlée. Il faut également noter qu’en appliquant un codage corrigible, le processus a atteint une fiabilité de 79% ! « Il s’agit d’un grand pas en avant vers le traitement de l’information quantique à l’aide de qubits corrigibles », explique le chercheur principal, Robert Schoelkopf.
Cette expérience représente clairement un petit (mais important) pas en avant vers la fabrication de modules quantiques. De plus, cette démonstration prouve que les modules pourraient être une solution intéressante quant à la mise à l’échelle des ordinateurs quantiques.