L’informatique quantique à parité universelle, une nouvelle architecture qui surmonte les limitations de performances

La puissance de calcul des machines quantiques est actuellement encore très faible. Augmenter les performances est un enjeu majeur. Des physiciens de l’Université d’Innsbruck, en Autriche, présentent maintenant une nouvelle architecture pour un ordinateur quantique universel qui surmonte ces limitations et pourrait bientôt constituer la base de la prochaine génération d’ordinateurs quantiques.

Les bits quantiques (qubits) dans un ordinateur quantique servent à la fois d’unité de calcul et de mémoire. Parce que l’information quantique ne peut pas être copiée, elle ne peut pas être stockée en mémoire comme dans un ordinateur classique. En raison de cette limitation, tous les qubits d’un ordinateur quantique doivent pouvoir interagir les uns avec les autres.

C’est actuellement encore un défi majeur pour la construction d’ordinateurs quantiques puissants. En 2015, le physicien théoricien Wolfgang Lechner, en collaboration avec Philipp Hauke ​​et Peter Zoller, a abordé cette difficulté et a proposé une nouvelle architecture pour un ordinateur quantique, désormais nommée architecture LHZ du nom des auteurs.

« Cette architecture a été conçue à l’origine pour des problèmes d’optimisation », explique Wolfgang Lechner du Département de physique théorique de l’Université d’Innsbruck, en Autriche. « Dans le processus, nous avons réduit l’architecture au minimum afin de résoudre ces problèmes d’optimisation le plus efficacement possible. »

Les qubits physiques de cette architecture ne représentent pas des bits individuels, mais codent la coordination relative entre les bits. « Cela signifie que tous les qubits ne doivent plus interagir les uns avec les autres », explique Wolfgang Lechner. Avec son équipe, il vient de montrer que ce concept de parité convient également à un ordinateur quantique universel.

Les opérations complexes sont simplifiées

Les ordinateurs de parité peuvent effectuer des opérations entre deux ou plusieurs qubits sur un seul qubit. « Les ordinateurs quantiques existants mettent déjà très bien en œuvre de telles opérations à petite échelle », explique Michael Fellner de l’équipe de Wolfgang Lechner. « Cependant, à mesure que le nombre de qubits augmente, il devient de plus en plus complexe de mettre en œuvre ces opérations de porte. »

Dans deux publications en Lettres d’examen physique et Examen physique A, les scientifiques d’Innsbruck montrent maintenant que les ordinateurs de parité peuvent, par exemple, effectuer des transformations de Fourier quantiques – un élément fondamental de nombreux algorithmes quantiques – avec beaucoup moins d’étapes de calcul et donc plus rapidement. « Le parallélisme élevé de notre architecture signifie que, par exemple, l’algorithme bien connu de Shor pour la factorisation des nombres peut être exécuté très efficacement », explique Fellner.

Correction d’erreur en deux étapes

Le nouveau concept offre également une correction d’erreur efficace sur le plan matériel. Les systèmes quantiques étant très sensibles aux perturbations, les ordinateurs quantiques doivent corriger les erreurs en permanence. Des ressources importantes doivent être consacrées à la protection des informations quantiques, ce qui augmente considérablement le nombre de qubits nécessaires. « Notre modèle fonctionne avec une correction d’erreur en deux étapes, un type d’erreur (erreur de retournement de bit ou erreur de phase) est évité par le matériel utilisé », écrivent Anette Messinger et Kilian Ender, également membres de l’équipe de recherche d’Innsbruck.

Il existe déjà des premières approches expérimentales pour cela sur différentes plateformes. « L’autre type d’erreur peut être détecté et corrigé via le logiciel », expliquent Messinger et Ender. Cela permettrait de réaliser une prochaine génération d’ordinateurs quantiques universels avec un effort gérable.

La société dérivée ParityQC, co-fondée par Wolfgang Lechner et Magdalena Hauser, travaille déjà à Innsbruck avec des partenaires scientifiques et industriels sur d’éventuelles implémentations du nouveau modèle.