Une start-up pour rivaliser avec les mastodontes de l’informatique quantique

Le paradoxe des ordinateurs quantiques est qu’ils doivent être les plus isolés possible du monde extérieur pour éviter toute source d’erreurs, tout en restant accessibles pour qu’on puisse contrôler les algorithmes quantiques et observer leurs résultats. Raphaël Lescanne, CTO de la prometteuse pousse Française Alice&Bob, nous raconte comment ils concurrencent IBM et Google. Leur botte secrète ? Le qubit de chat et sa correction autonome d’erreurs… Chat vous intrigue ?

«VOUS AVEZ DIT ORDINATEURS QUANTIQUES?»

Qu’est-ce qu’un qubit ?

L’information que nous manipulons sous forme de textes, de sons ou d’im- ages peut être réduite à son niveau le plus fondamental en une série de 0 et de 1, où chaque nombre est appelé bit. Cette entité abstraite doit être rendue palpable pour être manipulée et elle peut-être encodée dans l’orientation de domaines magnétiques dans un disque dur, dans la présence ou l’absence de signaux lumineux dans une fibre optique ou encore dans la valeur d’une ten- sion à un endroit précis d’un circuit électronique. Dès que deux états distincts sont disponibles, on peut encoder de l’information dans un système physique. En zoomant un peu, c’est également le cas pour un système quantique, par exemple l’état fondamental et un état excité d’un atome peuvent être utilisés pour encoder de l’information. L’atout de l’atome est qu’il peut non seulement se trouver dans un de ces deux états, mais aussi dans n’importe quelle super- position entre les deux. Ceci constitue un bit quantique, ou qubit. Dans les an- nées 80, les physiciens ont commencé à se demander ce que cette propriété pouvait apporter à l’informatique et on a découvert des algorithmes pouvant se dérouler plus rapidement sur un registre qubits que sur un registre de bit. Ces algorithmes, en plus de la possibilité intrinsèque de simuler efficacement d’au- tres systèmes quantiques tels que des molécules chimiques, ont fait naître l’idée de l’ordinateur quantique. Les principales applications de l’ordinateur quantique seront vraisemblablement la conception de nouveaux catalyseurs ou de mé- dicaments, et la compréhension du fonctionnement de certaines protéines. Du côté algorithmique, partout où un problème d’optimisation est posé, l’ordinateur quantique pourra apporter une accélération.

Quels types d’erreurs peuvent perturber l’information quantique ?

L’information classique est soumise à une erreur typique, le bit-flip qui échange un 0 en 1 ou un 1 en 0. Ceci peut arriver par exemple quand le bruit ambiant dans un circuit électronique cause une fluctuation de tension trop importante ou quand un signal lumineux se fait absorber anormalement dans une fibre optique. Dans le monde quantique, cette erreur est aussi possible. Néanmoins, avec la possibilité de se trouver dans un état superposé arrive une autre source d’erreur qui pertur- be la phase de la superposition, le phase-flip. Cette erreur n’a pas d’équivalent dans le monde classique et est intimement liée au processus de décohérence qui nous interdit d’observer les phénomènes quantiques dans notre vie de tous 

les jours. Ces deux types d’erreurs sont dues aux interactions entre les qubits et l’environnement. Tout l’enjeu de l’ordinateur quantique est de parvenir à isoler un système parfaitement du reste de l’univers pour éviter les erreurs, tout en le main- tenant contrôlable pour effectuer des algorithmes. C’est cette situation paradoxale qui rend la quête de l’ordinateur quantique difficile.

Heureusement, les erreurs quantiques ne sont pas une fatalité, et comme en information classique, il existe des algorithmes pour corriger les erreurs. Ces algorithmes reposent sur le principe de redondance de l’information : quand nous avons un fichier important, nous le sauvegardons à plusieurs endroits différents. Nous pouvons dire que l’ensemble de ces copies forme un super fichier qui contient exactement la même information que l’original, mais est beaucoup plus robuste aux aléas. La stratégie de corrections communément admise consiste à utiliser plusieurs qubits arrangés en une sorte de grille en deux dimensions (chaque qubit étant un endroit possible où stocker l’information) et à y encoder la même information (notre fichier). Cette grille appelée « surface code » constitue un qubit plus robuste (notre « super » fichier) appelé qubit logique. Il existe deux types d’erreurs quantiques, le bit-flip et le phase-flip, c’est pourquoi il est nécessaire d’avoir une grille en deux dimensions, chaque dimension procurant la redondance nécessaire à corriger l’une des deux erreurs.

Comment vous est venue l’idée de cofonder Alice&Bob ?

Deux facteurs ont conduit à la création d’Alice&Bob. À la base, tout part d’une frustration de Théau Peronnin, co-fondateur avec moi, de voir les groupes académiques dans lesquels nous avons évolué en thèse (Benjamin Huard à l’ENS de Lyon, Zaki Leghtas à l’ENS/ Mines ParisTech) ne pas concourir à armes égales avec les grands groupes internationaux malgré un potentiel certain. Puis, il y a eu deux résultats majeurs dans nos équipes, à la fois expérimentaux et théoriques. Ces résultats concernaient un qubit atypique au centre de nos travaux de recherche, le qubit de chat, réalisé à base de circuit supraconducteur. Ils ont démontré d’une part la possibilité de réaliser un qubit capable de corriger ses erreurs de manière autonome sans nécessiter de redondance [Lescanne et al., Nature Physics 2020] et d’autre part, la possibilité de construire un ordinateur universel (permettant de réaliser n’importe quel algorithme) et sans erreur, à base de qubit de chat [Guillaud et Mirrahimi, Phys. Rev. X 2019]. Enfin, le soutien inconditionnel des groupes académiques desquels nous sommes issus a fini de nous convaincre de nous lancer !

Que pouvez-vous apporter face à des Google et IBM ?

Il y a beaucoup de pistes pour développer l’ordinateur quantique. D’abord, il y a le choix du système physique, les circuits supraconducteurs, les ions piégés, les spins, les atomes froids, les photons visibles... Ensuite, pour chaque plateforme physique, il existe différentes variantes : l’allure du circuit supraconducteur, le choix de l’atome, l’environnement dans lequel piéger le spin, etc. Pour l’instant, personne ne sait de quelle plateforme ni de quelle variante l’ordinateur quantique sera fait et il est de toute façon vraisemblable qu’il y ait plusieurs élus. Même des géants comme Google et IBM ne peuvent pas explorer toutes les pistes à la fois 

et c’est la raison pour laquelle les groupes académiques et les start-ups sont pertinents aussi dans cette course. Avec les qubits de chats, nous tentons une alternative au « surface code » pour la correction d’erreur. En effet, un des deux types d’erreurs étant corrigé de manière autonome, le code de surface n’est plus nécessaire et un code à une dimension est suffisant. Ceci réduit considérablement la complexité de la machine et rend réaliste notre approche.

Vous venez de lever 3 millions d’euros, quelles sont les prochaines étapes ?

Notre but est de co-développer avec les groupes académiques le premier qubit logique et démontrer les avantages des qubits de chat en termes de nombre de qubits nécessaire à encoder un qubit logique et de calcul universel. Il y a un certain nombre de défis tech- nologiques et organisationnels à relever. Les expériences seront conduites en partenariat avec l’équipe de Zaki Leghtas à l’ENS et Alice&Bob contribue au matériel et aux moyens humains mis en œuvre. Il faut aussi parvenir à rassembler la communauté des circuits supraconducteurs travaillant sur le sujet en France en mettant en commun nos méthodes de travail et nos montages expérimentaux afin d’avancer plus vite dans la bonne direction. Un bon moyen de matérialiser cette coopération est le dispositif CIFRE1. Dès septembre, nous allons partager 3 candidats au doctorat avec les équipes de Zaki Leghtas, Mazyar Mirrahimi (INRIA) et Benjamin Huard.

Propos recueillis par Lauriane Gorce, Directrice scientifique de l’Institut de la technologie pour l’humain — Montréal.