réduction du bruit des qubits

Un piège minuscule pour charges isolées, le point quantique, sait retenir un seul trou. Mais il suffit que la charge tremble à l'interface du matériau pour que le trou se mette à vaciller dans son piège. Les ingénieurs ont trouvé comment apaiser cette charge frémissante : remplacer l'escalier raide par un doux plan incliné.

Un interprète dans une salle bondée essaie de saisir le discours d'une personne, mais entend le bourdonnement de centaines de voix. Une molécule qui stocke l'information quantique dans son spin se trouve dans une situation similaire : son spin est entouré par l'agitation thermique des atomes, et c'est précisément cette agitation qui efface progressivement la mémoire.

En 1996, des physiciens se sont demandé : combien de bruit un canal quantique peut-il supporter avant de cesser de transmettre de l'information ? Une conversation téléphonique où un mot sur trois est remplacé par un bruit aléatoire reste compréhensible. Jusqu'à quel niveau d'interférence l'interlocuteur saisit-il le sens ?

Un ordinateur quantique ressemble à un orchestre où chaque musicien — un qubit — joue sa partition, mais se trompe de temps en temps. Pour éviter que la musique ne devienne une cacophonie, il faut un chef qui entend instantanément les fausses notes et les corrige.

Un ordinateur quantique ressemble à un orchestre où chaque musicien-qubit se dérègle facilement. Le moindre bruit, et la mélodie du calcul se transforme en cacophonie. Pour que l'orchestre joue en harmonie, il faut un chef qui repère instantanément les fausses notes et les corrige sans interrompre l'exécution. C'est exactement le rôle des codes de correction d'erreurs.

Un ordinateur quantique ressemble à un orchestre où chaque musicien doit jouer sa partition sans se tromper. Les musiciens sont les qubits, porteurs d'information quantique. Pour que l'orchestre joue en harmonie, il faut des qubits fiables, contrôlables et peu sensibles aux perturbations.

Entraîner un grand réseau de neurones sur des centaines de machines, c'est un peu comme préparer une soupe avec des dizaines de cuisiniers : chacun goûte et communique ses ajustements aux autres. Dans l'apprentissage automatique moderne, ces « négociations » prennent du temps, consomment de la bande passante et sont vulnérables aux écoutes indiscrètes.

Un ordinateur quantique mesure l'énergie d'une molécule à peu près comme un vieux mètre ruban qui n'aurait que des graduations tous les mètres. Si la longueur réelle de la table est de 2,37 mètres, le ruban indiquera « deux et quelque chose », et pas plus précis.

Un nœud de mémoire quantique est un minuscule diamant avec un défaut qui sait stocker et émettre des photons uniques. Mais sa lumière a une longueur d'onde de 637 nanomètres : un rouge semblable à celui du rubis, presque totalement absorbé après quelques mètres de fibre optique standard.

Un ordinateur quantique ressemble à un orchestre où chaque musicien joue sa partition, mais une seule fausse note peut gâcher toute la symphonie. Pour éviter cela, il faut un auditeur qui capte instantanément la fausse note sans gêner les musiciens.

Les qubits d'un ordinateur quantique supraconducteur ressemblent à des cordes tendues. Lorsqu'une particule venue du cosmos ou de la désintégration d'un élément radioactif passe à proximité, elle frappe ces cordes, qui se mettent à vibrer.

Un qubit, c'est comme une corde qui doit rester immobile avant le début de la mélodie. Si elle vibre, la musique commence par une fausse note. Dans les ordinateurs quantiques, ce rôle de corde est joué par des qubits supraconducteurs. Avant chaque calcul, il faut les ramener à leur état fondamental, sinon les erreurs sont inévitables.

La surface d'un niobium fraîchement poli brille comme un miroir. Mais en quelques minutes, une fine pellicule d'oxyde, invisible à l'œil, vient la ternir. Pour un qubit supraconducteur, cette pellicule est comme du sable dans un engrenage : elle fait s'effondrer l'état quantique prématurément.

À l'intérieur de chaque cellule, il existe un réseau de fins tubes, les microtubules. Ils jouent à la fois le rôle d'échafaudage et de rails : ils maintiennent la forme de la cellule et transportent des cargaisons. Ces tubes sont assemblés à partir de la protéine tubuline et émettent naturellement une faible fluorescence sous ultraviolets.

Deux pendules sur une table stable oscillent indépendamment. Si on les place sur une surface instable, les vibrations synchronisent leur mouvement. Le même principe a fonctionné sur une puce en silicium avec des photons. Les scientifiques ont créé deux sources de lumière émettant des paires de particules.

Le recuit quantique fonctionne comme une recherche intelligente de chemin dans un labyrinthe : au lieu d'explorer toutes les impasses, il utilise les effets quantiques pour trouver la sortie plus rapidement. Mais ce labyrinthe a une particularité : les nombres qui décrivent les murs et les couloirs doivent être à peu près de la même taille.

Les ordinateurs quantiques promettent de résoudre des problèmes que les ordinateurs classiques ne peuvent pas traiter. Mais leurs composants – les bits quantiques – sont très sensibles. Une variante de ces bits est un circuit oscillant qui peut se trouver dans deux états, comme un pendule qui oscille à gauche ou à droite.

Un capteur moderne à l'hôpital ressemble à un microphone sensible dans une salle bruyante. Il capte le signal faible du cœur ou du cerveau, mais avec lui, le bourdonnement des appareils, les pas, la respiration des voisins. Séparer le son utile du bruit est une science en soi.

Dans un cristal, on peut lancer un son d'une fréquence si élevée que l'oreille humaine ne l'entend pas — et faire courir ce son en rond, comme un train sur une voie circulaire. Les ingénieurs ont pris une fine membrane de nitrure de silicium, l'ont déposée sur un substrat de niobate de lithium et y ont gravé des pistes pour les ondes sonores.

Dans les batteries quantiques, la charge peut être accélérée en mélangeant les étapes dans le temps, comme on bat un jeu de cartes. Au lieu d'une croissance régulière de l'énergie, on observe de violentes explosions d'efficacité, comme des supernovae microscopiques au sein des atomes.

Le bit quantique (qubit) est semblable à un murmure à peine perceptible dans le brouhaha des voix. Un amplificateur ordinaire rend le murmure plus fort, mais avec lui, le brouhaha aussi, ce qui empêche de saisir l'essentiel.

Le thé chaud met généralement plus de temps à refroidir que le thé tiède, mais l'eau enfreint parfois cette règle : dès les années 1960, un écolier nommé Erasto Mpemba a remarqué que la glace chaude gèle plus vite que la glace froide.

Un ordinateur quantique, c'est comme un orchestre où chaque musicien doit entrer en mesure. Le moindre froissement dans la salle déconcentre le violoniste, et la mélodie s'effondre.

Un bit quantique, c'est comme une toupie qui doit tourner longtemps sans vaciller. Dans le germanium, on a appris à lancer ces toupies, mais le sol tremble toujours autour : les interférences électriques perturbent la rotation.

À l'intérieur du proton, les quarks s'attirent via les gluons, comme par des ressorts. Lâchez un quark : le ressort se tend et casse, engendrant un nouveau quark.

L'Univers est en expansion, et les scientifiques veulent savoir à quelle vitesse et de quoi il est composé. Pour cela, ils comparent les données provenant d'explosions d'étoiles lointaines, d'ondes sonores dans l'Univers primordial et de la faible lueur résiduelle du Big Bang. Chaque ensemble de données est comme une pièce de mosaïque, et il faut les assembler pour former une image d'ensemble.

Une recette de pain écrite à l'encre invisible : pendant que vous lisez, l'original s'efface. C'est ainsi que se comportent les qubits — toute mesure les modifie irréversiblement.

Lancer une pièce de monnaie est le plus simple des générateurs de hasard. Mais si la pièce est limée, elle commence à tricher. Dans le monde quantique, la lumière joue ce rôle : ses propriétés sont fondamentalement imprévisibles. Le problème, c'est que l'appareil qui « lance » la pièce quantique peut être défectueux, voire remplacé par un adversaire.

La fibre optique transmet la lumière, mais celle-ci tremble et s'affaiblit en chemin. Pour que les interlocuteurs aux deux extrémités de la ligne obtiennent la même série de nombres aléatoires pour le chiffrement, un correcteur numérique fonctionne dans le récepteur — comme un réducteur de bruit dans un casque, qui soustrait le grondement de la rue, mais parfois en…

Les ordinateurs quantiques promettent de décrire précisément les molécules, mais leur principal fléau est le bruit. Chaque qubit supplémentaire et chaque opération additionnelle ajoutent des erreurs. Chimistes et physiciens ont imaginé un moyen de calculer les molécules avec moitié moins de qubits : la méthode HSQD.

Un ordinateur quantique est une machine où, au lieu de bits ordinaires, ce sont des qubits qui travaillent. Un qubit peut être non seulement un zéro ou un un, mais aussi les deux à la fois. Une façon de fabriquer un qubit est de prendre un électron et de le faire planer au-dessus d'une surface d'hélium liquide.

Dans le récepteur d'un télescope pointé vers la plus ancienne lueur de l'Univers se trouve une minuscule plaque thermomètre. Elle est si sensible que la chaleur d'un seul photon peut la réchauffer sensiblement. Mais pour entendre ce murmure de chaleur, il faut un intermédiaire : un amplificateur qui n'ajoute pas son propre bruit.

Un ordinateur quantique, c'est comme un orchestre où chaque musicien joue sa partition, mais parfois se trompe. Pour éviter que la musique ne devienne une cacophonie, il faut un chef qui corrige les erreurs à temps. Dans le calcul quantique, le rôle du chef est tenu par des codes correcteurs d'erreurs.

Le nombre 551 semble anodin, mais trouver deux nombres premiers dont le produit lui est égal n'est pas une mince affaire. Un ordinateur classique essaie les combinaisons une par une, comme quelqu'un qui cherche une clé dans un trousseau.

Pour faire du pop-corn, le micro-ondes ne dépense de l'électricité que pour chauffer les grains. La cuisinière à gaz, elle, chauffe tout le brûleur et l'air autour. C'est la même différence entre une puce quantique à photons et un superordinateur classique lorsqu'ils résolvent un problème imaginé par Scott Aaronson.

Un ordinateur quantique ressemble à un orchestre où chaque qubit est un musicien et les signaux de contrôle sont le chef d'orchestre. Si le chef agite sa baguette de manière imprécise, les musiciens se dérèglent.

Un capteur quantique ressemble à une ligne télégraphique transmettant un message ultra-sensible. La moindre interférence déforme le signal. On pensait autrefois que pour une mesure précise, il fallait un « télégraphiste » infaillible — un système idéal de correction d'erreurs. Mais en pratique, tous les éléments sont bruyants.

Détecter un signal faible au milieu du bruit, c'est comme essayer d'entendre une cloche lointaine pendant une tempête. L'amplification habituelle ne fait que rendre le vacarme plus assourdissant. La correction d'erreurs quantique résout le problème de manière inattendue.

La matière noire est une substance invisible, cinq fois plus abondante dans l'Univers que la matière ordinaire. Ses particules interagissent à peine avec les atomes, mais elles peuvent parfois heurter un électron, comme une corde effleurée par le vent.

La création de capteurs ultra-sensibles pour la photométrie et la spectroscopie commence par de minuscules cavités où la lumière rebondit comme un écho dans un puits. Auparavant, les ingénieurs recherchaient la qualité – la durée de cet écho : plus il résonne longtemps, plus les moindres variations sont perceptibles.