Le potentiel des ordinateurs quantiques pour révolutionner des domaines tels que le développement de nouveaux matériaux, la recherche pharmaceutique et l'intelligence artificielle est annoncé depuis longtemps. La capacité de ces machines à effectuer des calculs hors de portée même des supercalculateurs classiques les plus puissants ouvre la porte à des avancées scientifiques et technologiques sans précédent. Cependant, la réalisation de ce potentiel dépend de la nécessité de surmonter des obstacles importants, principalement liés à la vitesse et à la fiabilité des opérations quantiques.

Les ordinateurs quantiques sont basés sur des bits quantiques, ou qubits, qui, contrairement aux bits classiques (pouvant être 0 ou 1), peuvent exister simultanément dans une superposition des deux états. Ils peuvent également être intriqués quantiquement, ce qui signifie que les destins de deux qubits ou plus sont liés quelle que soit leur distance. Ces propriétés permettent aux ordinateurs quantiques d'explorer un grand nombre de possibilités en parallèle, ce qui leur confère un avantage exponentiel pour certaines classes de problèmes. Cependant, ces mêmes propriétés quantiques rendent les qubits extrêmement sensibles aux influences externes et au bruit ambiant, entraînant des erreurs et la perte d'informations quantiques – un processus connu sous le nom de décohérence.

Le défi de la vitesse et de la fiabilité en informatique quantique

L'un des principaux défis dans la construction d'ordinateurs quantiques fonctionnels est la nécessité d'effectuer des opérations et des mesures (lecture des états des qubits) extrêmement rapidement. Les qubits ont une durée de vie limitée, connue sous le nom de temps de cohérence, pendant laquelle ils conservent leurs propriétés quantiques. Toutes les opérations, y compris celles nécessaires à la correction d'erreurs, doivent se dérouler dans cette courte fenêtre de temps avant que l'information quantique ne soit irrémédiablement perdue. Plus les opérations sont rapides, plus on peut en effectuer avant la décohérence, permettant des calculs plus complexes et des protocoles de correction d'erreurs plus efficaces.

Le processus de lecture de l'état des qubits est particulièrement critique. Il implique l'interaction du qubit avec un appareil de mesure, souvent via des particules de lumière (photons), pour déterminer si le qubit est dans l'état 0 ou 1. L'efficacité et la vitesse de ce processus dépendent directement de la force de l'interaction, ou couplage, entre le qubit (agissant comme un atome artificiel stockant l'information) et le photon (qui transporte cette information). Un couplage faible signifie une lecture plus lente et potentiellement moins précise, ce qui représente un goulot d'étranglement dans le calcul quantique global.

Percée révolutionnaire des scientifiques du MIT

Des scientifiques du Massachusetts Institute of Technology (MIT) ont récemment annoncé une avancée significative qui pourrait accélérer considérablement les opérations quantiques et la lecture. Dans un article publié hier, le 30 avril 2025, dans la prestigieuse revue Nature Communications, l'équipe a démontré ce qu'elle pense être le couplage non linéaire lumière-matière le plus fort jamais atteint dans un système quantique.

Cette réalisation représente une étape cruciale vers la réalisation d'opérations quantiques et de processus de lecture qui pourraient être effectués en quelques nanosecondes seulement – des ordres de grandeur plus rapidement que de nombreuses approches existantes. L'équipe du MIT a utilisé une architecture innovante de circuits supraconducteurs pour obtenir un couplage non linéaire lumière-matière qui est environ d'un ordre de grandeur (environ 10 fois) plus fort que les démonstrations précédentes. Une telle augmentation significative du couplage pourrait permettre à un processeur quantique de fonctionner environ dix fois plus vite.

"Cela pourrait vraiment éliminer l'un des goulots d'étranglement de l'informatique quantique", a déclaré Yufeng “Bright” Ye, doctorant au MIT (SM ’20, PhD ’24) et auteur principal de l'étude. "Généralement, vous devez mesurer les résultats de vos calculs entre les cycles de correction d'erreurs. Cela pourrait accélérer l'atteinte de la phase de calcul quantique tolérant aux pannes (fault-tolerant) et permettre d'obtenir une valeur et des applications réelles de nos ordinateurs quantiques."

L'innovation au cœur de la percée : Le coupleur quarton

Le fondement de ce succès réside dans des années de recherche théorique au sein du groupe Quantum Coherent Electronics au MIT, dirigé par Kevin O’Brien, professeur associé et chercheur principal au Laboratoire de Recherche en Électronique (RLE) du Département de Génie Électrique et Informatique (EECS). Après que Ye ait rejoint le laboratoire en 2019, il a commencé à développer un détecteur photonique spécialisé dans le but d'améliorer le traitement de l'information quantique.

Grâce à ce travail, Ye a inventé un nouveau type de coupleur quantique, un dispositif qui facilite les interactions entre les qubits. Ce dispositif spécifique, nommé "coupleur quarton" (quarton coupler), a montré un potentiel immense pour une application dans les opérations quantiques et la lecture, devenant rapidement le centre des recherches du laboratoire.

Le coupleur quarton est un type spécial de circuit supraconducteur conçu pour générer des couplages non linéaires extrêmement forts. La non-linéarité dans ce contexte signifie que le comportement du système dépasse la simple somme de ses parties, présentant des propriétés d'interaction plus complexes. Dans les algorithmes quantiques, ce sont souvent les interactions non linéaires qui sont essentielles. En augmentant le courant fourni au coupleur quarton, les chercheurs peuvent induire une interaction non linéaire encore plus forte.

"La plupart des interactions utiles en informatique quantique proviennent du couplage non linéaire de la lumière et de la matière. Si vous pouvez obtenir une gamme plus polyvalente de différents types de couplage et augmenter sa force, alors vous pouvez essentiellement augmenter la vitesse de traitement de l'ordinateur quantique", explique Ye.

Architecture de l'expérience et mécanisme d'action

Le montage expérimental conçu par les chercheurs du MIT se compose d'une puce contenant deux qubits supraconducteurs reliés par un coupleur quarton. L'un des qubits est configuré pour agir comme un résonateur (un composant qui oscille à une fréquence spécifique), tandis que l'autre sert d'atome artificiel stockant l'information quantique (dans l'état 0 ou 1). L'information est transmise et lue à l'aide de particules de lumière micro-ondes, c'est-à-dire de photons.

Le processus de lecture fonctionne en dirigeant la lumière micro-ondes sur le qubit. En fonction de l'état quantique du qubit (0 ou 1), il se produit un petit décalage de la fréquence de résonance du résonateur associé. En mesurant ce décalage de fréquence, les scientifiques peuvent déterminer précisément l'état du qubit. La clé de la vitesse et de la précision de cette mesure est le couplage non linéaire lumière-matière entre le qubit et le résonateur, que le coupleur quarton améliore considérablement.

"L'interaction entre ces atomes artificiels supraconducteurs et la lumière micro-ondes qui dirige le signal est le fondement de la construction de l'ensemble de l'ordinateur quantique supraconducteur", explique Ye. C'est précisément le coupleur quarton qui permet un couplage non linéaire dix fois plus fort dans cette architecture.

Implications pour une lecture plus rapide et des opérations quantiques

La force atteinte du couplage non linéaire lumière-matière ouvre la voie à des systèmes quantiques avec une lecture ultra-rapide, mesurée en nanosecondes. Cette réduction drastique du temps nécessaire à la lecture a un impact direct sur la capacité de l'ordinateur quantique à effectuer davantage d'opérations dans le temps de cohérence limité des qubits.

Mais l'histoire ne s'arrête pas là. "Ce travail n'est pas la fin de l'histoire. C'est une démonstration de physique fondamentale, mais des travaux sont maintenant en cours dans le groupe pour réaliser une lecture vraiment rapide", déclare O'Brien. Cela implique l'ajout de composants électroniques supplémentaires, tels que des filtres, pour créer un circuit de lecture complet qui pourrait être intégré dans des systèmes quantiques plus grands.

De plus, les chercheurs ont également démontré dans leur expérience un couplage matière-matière extrêmement fort. Il s'agit d'un autre type d'interaction, celle entre les qubits eux-mêmes, qui est fondamentale pour effectuer les opérations logiques quantiques (portes quantiques) qui constituent la base des algorithmes quantiques. Un couplage matière-matière plus fort signifie également une exécution plus rapide de ces opérations. C'est un autre domaine que l'équipe prévoit d'explorer plus en détail dans de futurs travaux.

Un pas vers des ordinateurs quantiques tolérants aux pannes

Des opérations rapides et une lecture rapide ne sont pas seulement une question d'efficacité ; elles sont cruciales pour atteindre l'objectif ultime – la construction d'un ordinateur quantique tolérant aux pannes (fault-tolerant quantum computer). En raison de la fragilité inhérente des qubits et du bruit inévitable, les ordinateurs quantiques génèrent constamment des erreurs. Le concept de tolérance aux pannes repose sur l'utilisation de codes de correction d'erreurs quantiques (QEC), où l'information d'un qubit logique est codée à l'aide de plusieurs qubits physiques.

Les protocoles QEC nécessitent des mesures périodiques des états des qubits auxiliaires pour détecter et corriger les erreurs, sans détruire l'information quantique codée elle-même. Plus les opérations et les lectures sont rapides, plus de cycles QEC peuvent être effectués dans le temps de cohérence, réduisant ainsi considérablement le taux d'erreur global du calcul.

"Plus vous pouvez effectuer de cycles de correction d'erreurs, plus l'erreur dans les résultats sera faible", souligne Ye. Le couplage non linéaire plus fort permis par le coupleur quarton contribue directement à un fonctionnement plus rapide du processeur quantique avec un taux d'erreur plus faible, nous rapprochant de l'ère du traitement quantique pratique, fiable et à grande échelle.

Bien qu'il reste encore beaucoup de travail avant que cette architecture puisse être mise en œuvre dans de vrais ordinateurs quantiques à grande échelle, la démonstration des principes physiques fondamentaux permettant un couplage ultra-rapide représente une étape scientifique et technique significative. Ces travaux, soutenus par l'U.S. Army Research Office, l'AWS Center for Quantum Computing et le MIT Center for Quantum Engineering, ouvrent la voie à de futures technologies quantiques qui pourraient résoudre certains des problèmes les plus complexes du monde.

Source: Massachusetts Institute of Technology