Google réduit de 40 fois les erreurs d'une opération essentielle au calcul quantique
Google démontre sur sa puce Willow une méthode réduisant de 40 fois les erreurs de préparation d'états quantiques, avec une fidélité logique de 99,99 %.
Produire un état quantique suffisamment fiable pour effectuer un calcul peut mobiliser une grande partie des ressources d'un ordinateur quantique. Avec sa puce Willow, Google Quantum AI démontre expérimentalement une méthode destinée à réduire cette contrainte. Baptisée magic state cultivation, elle permet de préparer des états quantiques particuliers avec 40 fois moins d'erreurs que la méthode de référence utilisée dans l'expérience, et une fidélité logique annoncée de 99,99 %. Les résultats, publiés dans la revue Science, portent sur l'un des obstacles techniques à la construction d'ordinateurs quantiques capables d'exécuter des calculs complexes avec correction d'erreurs. Des états indispensables à certains calculs quantiques
Les ordinateurs quantiques utilisent des qubits pour manipuler l'information. Contrairement aux bits classiques, ils peuvent exploiter des phénomènes de superposition et d'intrication.
Ces propriétés offrent des possibilités de calcul particulières, mais rendent aussi les systèmes sensibles aux perturbations.
Les interactions avec l'environnement, les imperfections matérielles et les opérations de mesure peuvent introduire des erreurs dans les résultats.
Pour construire un ordinateur quantique capable d'exécuter des programmes complexes de manière fiable, les chercheurs doivent combiner plusieurs opérations et les protéger contre ces erreurs.
Certaines opérations peuvent être réalisées à partir de portes quantiques relativement simples à corriger. D'autres nécessitent des ressources supplémentaires, notamment des états particuliers appelés états magiques, ou magic states.
Ces états permettent notamment de réaliser des opérations dites non-Clifford, nécessaires pour disposer d'un ensemble universel d'opérations quantiques.
Leur préparation est cependant coûteuse, car ils doivent être produits avec une précision très élevée avant d'être utilisés. Jusqu'à 95 % des ressources consacrées à leur préparation
Le problème des états magiques est identifié depuis plus de vingt ans.
Les méthodes traditionnelles reposent notamment sur la distillation, qui consiste à utiliser plusieurs états imparfaits pour obtenir des états plus fiables.
Cette préparation peut mobiliser un nombre important de qubits physiques et d'opérations de correction.
Selon certaines estimations théoriques citées par Google, jusqu'à 95 % de la capacité d'un ordinateur quantique pourrait être consacrée à la production de ces états.
Une telle proportion laisserait relativement peu de ressources pour exécuter les calculs auxquels la machine est destinée.
Une autre difficulté vient de leur consommation : un état magique utilisé pour réaliser une opération ne peut pas être réemployé pour une autre.
Les programmes nécessitant de nombreuses opérations non-Clifford doivent donc disposer d'un approvisionnement continu en états suffisamment fiables.
La réduction du nombre de qubits, des opérations et du temps nécessaires à leur préparation constitue ainsi un objectif important pour les architectures quantiques corrigées contre les erreurs. Cultiver un état quantique plutôt que le distiller
La méthode expérimentée par Google repose sur les travaux théoriques de Craig Gidney, Noah Shutty et Cody Jones, développés en 2024.
Leur approche, appelée magic state cultivation, consiste à préparer progressivement un état quantique de haute qualité dans une petite région d'un processeur.
Le protocole commence par l'injection d'un état imparfait, susceptible de contenir des erreurs.
Une série de mesures coordonnées permet ensuite de contrôler son évolution et de détecter certaines anomalies.
Lorsqu'une tentative présente des signes d'erreur, elle peut être rejetée. Les états qui passent les contrôles sont conservés et progressivement intégrés dans un encodage quantique plus étendu.
Cette méthode se distingue des techniques de distillation reposant sur la combinaison de plusieurs états pour en améliorer la qualité.
La culture d'états magiques associe la détection des erreurs à la préparation et à l'extension de l'état logique.
Le procédé nécessite néanmoins de répéter les tentatives lorsque les contrôles détectent un résultat insatisfaisant.
Dans l'expérience publiée, environ 8 % des tentatives sont conservées après cette sélection. Cette proportion est importante pour évaluer les ressources réellement nécessaires à une production régulière. Quarante fois moins d'erreurs sur Willow
Les chercheurs de Google Quantum AI ont mis en œuvre le protocole sur Willow, le processeur quantique supraconducteur développé par le groupe.
La démonstration établit une réduction d'environ 40 fois du taux d'erreur par rapport à des états préparés sans le processus de cultivation.
L'équipe obtient également des états T présentant une fidélité logique d'au moins 99,99 %.
La fidélité mesure ici la proximité entre l'état quantique préparé et l'état théorique attendu.
Ce résultat concerne une ressource particulière nécessaire à certaines opérations quantiques, et non la fiabilité globale de tous les calculs exécutés sur Willow.
De même, le facteur 40 décrit une réduction des erreurs. Il ne signifie pas que le coût de fonctionnement du processeur, sa consommation électrique ou ses besoins matériels ont été divisés par quarante.
L'article scientifique, intitulé Magic state cultivation on a superconducting quantum processor, décrit les méthodes expérimentales et les mesures réalisées sur le matériel de Google. Un problème de mesure qui a nécessité une nouvelle méthode
La mise en œuvre du protocole a également révélé des difficultés dans la manière d'évaluer sa précision.
Emma Rosenfeld, chercheuse chez Google Quantum AI, a constaté pendant les premières expériences des résultats qui semblaient incompatibles avec le comportement physique attendu.
Après plusieurs mois de simulations, de vérifications et d'échanges avec d'autres chercheurs, l'équipe a identifié une hypothèse incorrecte dans la méthode de mesure utilisée.
Certaines perturbations présentes dans le laboratoire, liées notamment