Comprendre l'informatique quantique tolérante aux fautes - Traiter les erreurs - Partie I

Précision des mesures et défis informatiques

La mécanique quantique est l'outil le plus précis pour décrire le fonctionnement de la nature, et son succès s'étend bien au-delà des laboratoires. Les horloges atomiques, basées sur les principes quantiques, définissent le temps avec une précision impressionnante, rendant possible des technologies telles que le GPS. 

L'électrodynamique quantique est l'une des principales réalisations de la physique quantique. Elle permet aux scientifiques de prédire les propriétés magnétiques d'un électron avec une précision de l'ordre du billion, ce qui témoigne de la puissance de nos théories physiques. 

Pourtant, lorsque nous construisons des ordinateurs quantiques, nous nous heurtons à des erreurs à chaque instant. Pourquoi ce paradoxe existe-t-il ? D'où viennent ces erreurs ? Et que pouvons-nous faire pour y remédier ? 

La nature délicate de l'informatique quantique

Au cœur d'un ordinateur quantique se trouve le qubit, l'équivalent quantique du bit classique (0 ou 1). Contrairement aux bits classiques, les qubits peuvent exister dans une superposition de plusieurs états à la fois, ce qui ouvre la porte à de vastes possibilités de calcul. 

Chez Pasqal, nous créons des qubits - versions quantiques de bits classiques - en piégeant des atomes individuels de Rubidium-87. À l'aide de lasers, nous contrôlons un seul des 37 électrons de l'atome, l'électron de valence - l'électron le plus externe et le plus faiblement lié, ce qui le rend très réactif aux contrôles externes. Bien que cet électron possède un nombre théoriquement infini d'états discrets, nous le limitons délibérément à deux niveaux seulement. 

Cette tâche est difficile car les états quantiques sont intrinsèquement délicats et très sensibles à leur environnement. Imaginez que vous essayez d'équilibrer un crayon sur sa pointe alors que : 

• La table vibre parfois
• De minuscules courants d'air effleurent le crayon
• La température fluctue légèrement
• Quelqu'un vous heurte parfois le coude

Tel est le défi de l'informatique quantique. La moindre perturbation environnementale - un changement de température subtil, une onde électromagnétique parasite ou même l'interaction du système quantique avec lui-même - peut perturber le délicat état quantique, un problème connu sous le nom de "décohérence". 

D'un Qubit à plusieurs : Les erreurs se multiplient

Un qubit unique, bien qu'impressionnant à créer, n'a pas d'utilité informatique en soi. La véritable puissance émerge lorsque plusieurs qubits travaillent ensemble. Sur les plateformes à atomes neutres, où des milliers d'atomes peuvent être piégés simultanément, le comportement contrôlé de plusieurs qubits est possible grâce à l'exploitation d'un phénomène connu sous le nom de blocage de Rydberg. Pour en savoir plus, consultez notre livre blanc sur l'informatique quantique avec les atomes neutres.

Le fait d'avoir de nombreux qubits complique les choses :

1. Chaque qubit doit être contrôlé individuellement avec une extrême précision
2. Les Qubits doivent interagir de manière soigneusement orchestrée
3. Ces interactions peuvent elles-mêmes introduire des erreurs
4. Chaque qubit ajoute des points de défaillance potentiels

Ces erreurs proviennent de deux sources principales : des opérations de contrôle imparfaites lorsque nous manipulons les qubits et le bruit environnemental que nous ne pouvons pas éliminer complètement.

Malgré la présence de nombreuses erreurs, un aspect essentiel est qu'elles restent généralement locales, n'affectant qu'une petite partie du système au lieu de corrompre immédiatement tous les qubits. Cette localité est cruciale car elle nous permet de concevoir des stratégies pour détecter et atténuer les erreurs avant qu'elles ne se propagent de manière incontrôlée.

Renforcer la résistance aux erreurs

À l'heure actuelle, les erreurs dans les systèmes d'informatique quantique sont inévitables. Étant donné la fragilité des états quantiques lorsqu'ils sont imparfaitement isolés, les améliorations matérielles ne suffiront probablement pas à réduire les erreurs à des taux permettant un calcul quantique fiable.

Hence, robust computing solutions are necessary to handle infrequent but inevitable local errors. As Daniel Gottesman, one of the pioneers of Quantum Error Correction, put it: “Our goal is to produce protocols which continue to produce the correct answer even though any individual component of the [quantum] circuit may fail.” (Read the full article here)

Ce concept est connu sous le nom de tolérance aux pannes. L'un des principes fondamentaux de la tolérance aux pannes est de limiter l'impact de ces erreurs locales peu fréquentes mais inévitables en les empêchant de se propager à l'ensemble du système quantique. En anticipant un peu, cela rendra les erreurs beaucoup plus faciles à corriger.

Let’s illustrate error proliferation with a simple case. The following circuit (Fig. 1) prepares a GHZ state on four qubits. A GHZ state (named after Greenberger, Horne, and Zeilinger) is a specific type of entangled state where all qubits are correlated with each other in a superposition. This means that the state of each qubit is directly linked to the states of the others. How reliable is it? How robust is it to errors?

Considérons une erreur d'inversion de bit sur un qubit unique, également appelée erreur X. Supposons que le qubit 3 subisse une erreur X après l'initialisation et avant toute porte à deux qubits, comme le montre la figure 1. En retraçant cette erreur à travers le circuit, nous constatons que l'état final est affecté sur deux de ses qubits, devenant ainsi au lieu de . Par conséquent, l'erreur d'un seul qubit s'est propagée dans le système quantique, le corrompant largement.

Un moyen simple de permettre la détection d'erreurs aussi graves consiste à ajouter un qubit ancilla intriqué avec les premier et quatrième qubits de données après la préparation de l'état GHZ (figure 2). L'erreur X précédente renverse également le qubit ancilla. En mesurant le qubit ancilla, nous pouvons détecter cette erreur ! Notez que la manière spécifique dont l'ancilla est intriqué avec les qubits de données est soigneusement choisie pour révéler les erreurs dans l'état GHZ (pour des raisons qui ne sont pas décrites ici).

Cette méthode basée sur les drapeaux est une astuce simple pour obtenir une certaine robustesse. Elle ne nous dit pas quelle erreur s'est produite ni comment la corriger, mais elle signale certaines situations où l'état est fortement corrompu, ce qui indique qu'il faut l'écarter et essayer d'en préparer un nouveau.

Correction quantique des erreurs

Or, pour bien résister aux erreurs, il ne suffit pas de limiter leur prolifération : il faut un moyen de corriger certaines d'entre elles sans perturber le calcul quantique. C'est pourquoi la correction quantique des erreurs (QEC) constitue la base de l'ingénierie de la tolérance générique aux erreurs dans les calculs quantiques.

L'approche révolutionnaire de la CQE consiste à protéger l'information quantique en la distribuant dans un système enchevêtré. Lorsque des erreurs se produisent, elles ne détruisent pas l'information mais la transforment d'une manière qui peut être identifiée et inversée par des mesures et des opérations correctives soigneusement conçues.

C'est comme composer une symphonie, où la mélodie n'est pas portée par un seul instrument mais répartie sur l'ensemble de l'orchestre.

Même si un instrument est désaccordé, la mélodie globale reste intacte. Le chef d'orchestre peut entendre l'erreur et demander au musicien de réaccorder son instrument en fonction de l'orchestre.

Contrairement à la correction d'erreur classique, la QEC doit surmonter le théorème de non-clonage (l'impossibilité de faire des copies parfaites des états quantiques) et effectuer la détection d'erreur - extraire des informations sur l'emplacement des erreurs potentielles - sans mesurer directement l'information quantique protégée (ce qui détruirait l'état quantique pendant le calcul).

Le développement de QEC pratiques représente l'un des plus grands défis et l'une des plus grandes opportunités de l'informatique quantique : transformer la fragilité quantique en puissance de calcul grâce à une ingénierie intelligente.

La tolérance aux pannes n'est pas qu'un détail technique : c'est la clé qui permettra de libérer tout le potentiel de l'informatique quantique.

L'avenir de l'informatique quantique ne reposera pas sur des composants parfaits, mais sur des systèmes intelligents qui resteront fiables même en cas de défaillance d'une pièce, transformant ainsi le plus grand défi de l'informatique quantique en son plus impressionnant triomphe technique.