Superposition des ordres d’opération pour un calcul quantique plus performant
Avez-vous déjà entendu parler des commutateurs quantiques? Dans la négative, supposons que vous deviez effectuer un calcul impliquant deux opérateurs (A et B). Au lieu de choisir entre l’ordre AB et l’ordre BA, un commutateur quantique peut choisir les deux ordres simultanément en les superposant, ce qui rend le calcul plus performant. Il s’agit probablement de l’une des voies les plus prometteuses pour l’informatique quantique. Alors que l’informatique quantique augmente généralement la vitesse de calcul en plaçant des bits quantiques (qubits) en superposant différents états, la mécanique quantique permet d’aller plus loin en autorisant la superposition à la fois des états et des opérations. En d’autres termes, les tâches peuvent être accomplies en effectuant moins d’opérations qu’avec tout autre algorithme quantique connu.
Bien plus complexe que l’abc
Mais qu’en est-il si le calcul implique trois opérateurs au lieu de deux? Les choses deviennent tout à coup bien plus compliquées. «Dans le cas de figure A, B, C, les options sont beaucoup plus nombreuses. Est-ce que l’on mélange les ordres ABC et ACB, ou peut-être seulement CBA et ABC? Il existe 57 options au total», explique Nadia Belabas, coordinatrice du projet InCaSQuC pour le compte de C2N (un laboratoire commun du CNRS et de l’Université de Paris Saclay). Avec Lorenzo Procopio, titulaire d’une bourse Marie Skłodowska-Curie, Nadia Belabas a tenté de parvenir à une telle extensibilité. Ils ont en particulier étudié la manière dont l’optique intégrée et à fibres optiques pourrait permettre la création d’un commutateur quantique pour plus de deux opérations. «Nous parlons d’un circuit quantique complexe combinant une source de lumière quantique avec des opérateurs A, B et C. Il devrait être capable de fonctionner et de commuter entre les différentes voies possibles en suivant les principes de la mécanique quantique. Expérimentalement, cela pose des difficultés similaires à celles rencontrées pour mettre en œuvre n’importe quel circuit de lumière quantique: des pertes préjudiciables», explique Lorenzo Procopio. Le premier mérite d’InCaSQuC réside dans la démonstration théorique de ces conditions complexes, dans le cadre desquelles un commutateur quantique doit gérer plus de deux opérations. Dans le contexte de la communication quantique, par exemple, l’équipe a pu développer une étude pionnière du chercheur Giulio Chiribella qui avait montré comment le fait de placer deux canaux bruités dans un ordre indéfini permettait de manière contre-intuitive la transmission d’informations. «Nous avons montré que cet effet s’accentue lorsque les six ordres possibles de trois canaux sont superposés, mais aussi lorsqu’un nombre inférieur d’ordres est utilisé», constate Lorenzo Procopio.
S’inspirer de la photonique sur silicium, sans pour autant s’y limiter
Pour mettre ces idées en pratique, l’équipe du projet s’est inspirée des récents progrès de la photonique sur silicium. «La photonique sur silicium est une technologie aboutie pour les dispositifs actifs et passifs», explique Nadia Belabas. «Nous travaillons en étroite collaboration avec les équipes de C2N et d’InPhyNi qui ont développé des filtres et des sources à la pointe du progrès dans le domaine des télécommunications. Nous sommes particulièrement intéressés par la vaste dimension de l’espace de fréquences accessible avec ces sources.» Bien qu’en fin de compte, toutes les fonctionnalités puissent être réalisées sur puce et que des échantillons de haute qualité soient mis à disposition par les fonderies, l’approche d’InCaSQuC se distingue par le fait qu’elle peut également être réalisée avec des composants de télécommunication prêts à l’emploi. Comme l’explique Lorenzo Procopio: «Le silicium représente en effet un angle d’attaque très prometteur, mais nous voulons nous concentrer sur la mise en œuvre d’un ordre causal indéfini, quelle que soit la plate-forme.» À trois mois de son terme, InCaSQuC entre dans sa phase la plus cruciale. Reste à savoir si une démonstration expérimentale pourra être réalisée. Comme l’explique Nadia Belabas, une mise en œuvre entièrement modulable du commutateur quantique dans un scénario multi-opérationnel est particulièrement délicate, même hors du contexte d’une crise pandémique. «Nous devons contrôler de nombreux paramètres expérimentaux et les pertes cumulées de chaque élément. Si nous pouvons démontrer les éléments clés nécessaires, tels que des opérations quantiques codées en fréquence sur des sources suffisamment lumineuses, il s’agirait là d’une étape décisive vers une version évolutive, intégrée et fibrée du commutateur quantique», confie-t-elle. Si de telles démonstrations devaient être réalisées, la superposition des opérateurs deviendrait sans aucun doute une option sérieuse dans la future mise en œuvre de l’informatique quantique.
Mots‑clés
InCaSQuC, superposition, informatique quantique, mécanique quantique, commutateur quantique, multi-opération
