Nous proposons un cadre conceptuel d'ordinateur quantique fondé sur l'encodage de qubits dans la chiralité de nœuds topologiques non triviaux. Le qubit logique élémentaire identifie l'état quantique |0⟩ = |K⟩ à |1⟩ = |K*⟩ (image miroir), permettant la superposition cohérente α|K⟩ + β|K*⟩ pour un type de nœud non amphichiral K. Les portes logiques sont implémentées par tressage : un opérateur de Reshetikhin–Turaev appliqué à n qubits réalise l'action du groupe de tresses Bn sur l'espace de Hilbert SU(2)k correspondant, à un niveau de Chern–Simons k qui peut être choisi grand. Une proposition d'universalité topologique est énoncée. Avantage central : protection topologique exponentielle Taux de transition spontanée supprimé exponentiellement en k (barrière de Chern–Simons) Aucune correction d'erreur active nécessaire pour les qubits eux-mêmes Seules les portes sont soumises à des erreurs de trajectoire de tressage, corrigibles par codes topologiques standards Trois prédictions falsifiables, indépendantes du détail d'implémentation matérielle : Croissance exponentielle de la durée de cohérence avec le nombre de croisements du nœud servant de support au qubit Signature spectroscopique du couplage chiral correspondant à la phase de violation CP du trèfle calculée indépendamment dans le papier compagnon (doi:10.5281/zenodo.20552673) Seuil de température critique au-dessous duquel la protection topologique domine la décohérence thermique Chacune peut être validée ou réfutée sur un prototype expérimental. L'objectif scientifique de ce travail est de proposer le principe et les tests permettant de le valider, plutôt que de prétendre à une réalisation aboutie : c'est l'expérience qui tranchera. La traduction du cadre théorique en architecture matérielle concrète est l'objet d'une demande de brevet distincte et n'est pas abordée dans le présent article. Cadre théorique de référence : monographe TQNT-V5 (doi:10.5281/zenodo.19131538). Papiers connexes : Une phase de violation CP à partir du polynôme de Jones (doi:10.5281/zenodo.20552673), De la conjecture AJ à la dynamique de Schrödinger émergente (doi:10.5281/zenodo.20552914). Code source : github.com/CA9-sas/TQNT.
Nous proposons un cadre conceptuel d'ordinateur quantique fondé sur l'encodage de qubits dans la chiralité de nœuds topologiques non triviaux. Le qubit logique élémentaire identifie l'état quantique |0⟩ = |K⟩ à |1⟩ = |K*⟩ (image miroir), permettant la superposition cohérente α|K⟩ + β|K*⟩ pour un type de nœud non amphichiral K. Les portes logiques sont implémentées par tressage : un opérateur de Reshetikhin–Turaev appliqué à n qubits réalise l'action du groupe de tresses Bn sur l'espace de Hilbert SU(2)k correspondant, à un niveau de Chern–Simons k qui peut être choisi grand. Une proposition d'universalité topologique est énoncée. Avantage central : protection topologique exponentielle Taux de transition spontanée supprimé exponentiellement en k (barrière de Chern–Simons) Aucune correction d'erreur active nécessaire pour les qubits eux-mêmes Seules les portes sont soumises à des erreurs de trajectoire de tressage, corrigibles par codes topologiques standards Trois prédictions falsifiables, indépendantes du détail d'implémentation matérielle : Croissance exponentielle de la durée de cohérence avec le nombre de croisements du nœud servant de support au qubit Signature spectroscopique du couplage chiral correspondant à la phase de violation CP du trèfle calculée indépendamment dans le papier compagnon (doi:10.5281/zenodo.20552673) Seuil de température critique au-dessous duquel la protection topologique domine la décohérence thermique Chacune peut être validée ou réfutée sur un prototype expérimental. L'objectif scientifique de ce travail est de proposer le principe et les tests permettant de le valider, plutôt que de prétendre à une réalisation aboutie : c'est l'expérience qui tranchera. La traduction du cadre théorique en architecture matérielle concrète est l'objet d'une demande de brevet distincte et n'est pas abordée dans le présent article. Cadre théorique de référence : monographe TQNT-V5 (doi:10.5281/zenodo.19131538). Papiers connexes : Une phase de violation CP à partir du polynôme de Jones (doi:10.5281/zenodo.20552673), De la conjecture AJ à la dynamique de Schrödinger émergente (doi:10.5281/zenodo.20552914). Code source : github.com/CA9-sas/TQNT.
Codes correcteurs d’erreur quantique topologiques au-delà de la dimension 2 La mémoire quantique est constituée de matériaux présentant des effets quantiques comme la superposition. C’est cette possibilité de superposition qui distingue l’élément élémentaire de mémoire quantique, le qubit, de son analogue classique, le bit. Contrairement à un bit classique, un qubit peut être dans un état différent de l’état 0 et de l’état 1. Une difficulté majeure de la réalisation physique de mémoire quantique est la nécessité d’isoler le système utilisé de son environnement. En effet l’interaction d’un système quantique avec son environnement entraine un phénomène appelé décohérence qui se traduit par des erreurs sur l’état du système quantique. Dit autrement, à cause de la décohérence, il est possible que les qubits ne soient pas dans l’état dans lequel il est prévu qu’ils soient. Lorsque ces erreurs s’accumulent le résultat d’un calcul quantique a de grandes chances de ne pas être le résultat attendu. La correction d’erreur quantique est un ensemble de techniques permettant de protéger l’information quantique de ces erreurs. Elle consiste à réaliser un compromis entre le nombre de qubits et leur qualité. Plus précisément un code correcteur d’erreur permet à partir de N qubits physiques bruités de simuler un nombre plus petit K de qubits logiques, c’est-à-dire virtuels, moins bruités. La famille de codes la plus connue est sans doute celle découverte par le physicien Alexei Kitaev: le code torique. Cette construction peut être généralisée à des formes géométriques (variétés) autres qu’un tore. En 2014, Larry Guth et Alexander Lubotzky proposent une famille de code définie à partir de variétés hyperboliques de dimension 4 et montrent que cette famille fournit un compromis intéressant entre le nombre K de qubits logiques et le nombre d’erreurs qu’elle permet de corriger. Dans cette thèse, nous sommes partis de la construction de Guth et Lubotzky et en avons donné une version plus explicite et plus régulière. Pour définir un pavage régulier de l’espace hyperbolique de dimension 4, nous utilisons le groupe de symétrie de symbole de Schläfli {4, 3, 3, 5}. Nous en donnons la représentation matricielle correspondant au modèle de l’hyperboloïde et à un hypercube centré sur l’origine et dont les faces sont orthogonales aux quatre axes de coordonnée. Cette construction permet d’obtenir une famille de codes quantiques encodant un nombre de qubits logiques proportionnel au nombre de qubits physiques et dont la distance minimale croît au moins comme N0.1. Bien que ces paramètres soient également ceux de la construction de Guth et Lubotzky, la régularité de cette construction permet de construire explicitement des exemples de taille raisonnable et d’envisager des algorithmes de décodage qui exploitent cette régularité. Dans un second chapitre nous considérons une famille de codes quantiques hyperboliques 4D de symbole de Schläfli {5, 3, 3, 5}. Après avoir énoncé une façon de prendre le quotient des groupes correspondant en conservant la structure locale du groupe, nous construisons les matrices de parité correspondant à des codes quantiques ayant 144, 720, 9792, 18 000 et 90 000 qubits physiques. Nous appliquons un algorithme de Belief Propagation au décodage de ces codes et analysons les résultats numériquement. Dans un troisième et dernier chapitre nous définissons une nouvelle famille de codes quantiques à partir de cubes de dimension arbitrairement grande. En prenant le quotient d’un cube de dimension n par un code classique de paramètres [n, k, d] et en identifiant les qubits physiques avec les faces de dimension p du polytope quotient ainsi défini, on obtient un code quantique. Cette famille de codes quantiques a l’originalité de considérer des quotients par des codes classiques. En cela elle s’éloigne de la topologie et appartient plutôt à la famille des codes homologiques.
L'informatique quantique est actuellement limitée par les erreurs dans les bits quantiques (qubits). La première raison vient des taux d'erreur : les qubits présentent typiquement des taux d'erreur de l'ordre de 103 par seconde, contre environ 10-14 par seconde dans les systèmes classiques. Une seconde limitation essentielle est que contrairement aux bits classiques qui ne subissent que des bit-flips — des transitions entre 0 et 1 — les qubits sont également sensibles aux phase-flips.La correction d'erreurs quantiques constitue une approche prometteuse pour atténuer ces erreurs en encodant des qubits logiques, utilisés pour le calcul, dans un ensemble de qubits physiques. Cependant, la mise en oeuvre de la correction d'erreur nécessite à ce jour un nombre de qubits physiques trop important pour implémenter des algorithmes quantiques utiles.Les qubits de chat présentent un modèle d'erreur particulier : leur taux de bit-flip est nettement inférieur à leur taux de phase-flip. Dans le cas extrême où la probabilité de bit-flip reste négligeable pendant toute la durée du calcul, la correction d'erreur peut être entièrement dédiée à corriger les phase-flips. Des analyses théoriques suggèrent une réduction du nombre de qubits d'un facteur 10 à 100. Cet avantage dépend cependant d'une condition très forte : toutes les opérations quantiques doivent préserver le biais du bruit.Cette thèse est consacrée à la validation expérimentale de cette hypothèse centrale. Elle démontre à la fois la tomographie quantique et le contrôle quantique d'un qubit de chat caractérisé par un temps de bit-flip macroscopiquement long (>1 s). Elle prépare également les premières étapes de la réalisation d'une porte CNOT à deux qubits préservant le biais qui représente le prochain jalon dans le développement de schémas de correction d'erreur basés sur les qubits de chat.
La recherche en informatique quantique a pris de l’ampleur dans les deux dernières décennies, notamment grâce aux financements massifs des gouvernements et de l’industrie dans les technologies quantiques. L’ordinateur quantique promet de résoudre des problèmes qui jusqu’à présent restaient insurmontables à cause du temps déraisonnable qu’il faudrait pour les résoudre sur les ordinateurs classiques les plus puissants. L’idée de l’ordinateur quantique consiste à utiliser des propriétés quantiques de la matière, telles que l’intrication et la superposition quantique des états, pour effectuer des calculs d’une nouvelle manière. L’informatique quantique requiert un nouveau type d’ordinateur où les bits d’information classique, généralement représentés par la présence ou non de courant à l’entrée d’un transistor, sont remplacés par des bits quantiques aussi appelés qubits, et qui sont représentés par l’état d’un système quantique. De plus, il est nécessaire de développer de nouveaux algorithmes capables d’être implémentés sur un ordinateur quantique et capables de tirer parti de l’avantage quantique. Cette thèse porte sur ces deux composantes complémentaires : la construction de portes logiques, un bloc fondamental de tout ordinateur, et la création de meilleurs algorithmes pour résoudre des problèmes pertinents sur ces machines. Parmi les plateformes les plus avancées pour l’ordinateur quantique, on trouve les circuits supraconducteurs, qui sont la plateforme sur laquelle ont misé Google, IBM, Alice&Bob, Nord Quantique et bien d’autres compagnies. Malgré les avancées des dernières décennies, de nombreux défis restent à être relevés pour que les machines existantes soient en mesure de résoudre des problèmes pertinents et surpassent les ordinateurs classiques. L’un des défis auquel cette thèse s’attaque est la réalisation de portes logiques à deux qubits rapides et à haute fidélité. La rapidité est cruciale pour pouvoir réaliser le plus d’opérations possible avant que les qubits ne perdent leur cohérence quantique, et une haute fidélité est requise pour minimiser les erreurs de calcul et permettre d’implémenter de la correction d’erreurs quantiques. De plus, certains qubits supraconducteurs sont connus pour être affectés par une interaction indésirable, l’interaction ZZ qui, même si relativement faible, affecte la fidélité des portes logiques quantiques, empêchant d’atteindre des fidélités supérieures à 99.9% nécessaires à la correction d’erreurs. En parallèle avec l’amélioration des composantes de l’ordinateur quantique, il est important de développer des applications pour ce nouveau type de machine. Parmi les approches étudiées, les algorithmes quantiques variationnels (VQA) sont ceux qui sont les plus susceptibles d’être déployés sur les ordinateurs quantiques de petites tailles existants. Ce sont des algorithmes hybrides qui nécessitent à la fois de la puissance de calcul classique et quantique. Ces algorithmes semblent prometteurs pour résoudre de nombreux problèmes concrets d’intérêt industriel, comme obtenir les propriétés de molécules ou trouver les solutions de problèmes d’optimisation combinatoire. En effet, ces problèmes peuvent être formulés sous forme d’un Hamiltonien et résolus en déterminant son état fondamental. Dans ce but, les VQAs utilisent un circuit quantique paramétré appelé ansatz, dont les paramètres sont optimisés pour s’approcher de l’état fondamental. Un premier défi consiste à trouver un ansatz qui permette, pour un problème donné, de converger le plus efficacement possible vers la solution. Un deuxième défi est de trouver un circuit fait de portes logiques facilement implémentables sur les plateformes physiques actuelles. Les travaux effectués dans cette thèse apportent des contributions à ces deux défis. Dans la première partie de la thèse, nous introduisons le dispositif que nous avons conçu et qui permet de réaliser des portes d’intrication paramétrique entre deux qubits supraconducteurs. Cette approche a permis à nos collaborateurs du groupe d’Andrew Houck de l’Université de Princeton de réaliser expérimentalement une opération de type √iSWAP en 15 ns avec une fidélité de 98.8%, et ce dans un dispositif où l’interaction ZZ est supprimée. Dans la seconde partie de la thèse, nous avons développé un ansatz pour les VQAs permettant de résoudre le modèle de Fermi Hubbard. Ce nouvel ansatz utilise les avantages de deux ansätze préexistants, et permet d’obtenir l’énergie et l’état fondamental du FHM avec une précision de plusieurs ordres de grandeur supérieure aux ansätze standards, et ce en réduisant significativement le nombre de portes d’intrication CNOT qui sont généralement imparfaites et longues à implémenter.
Schéma de lecture non préjudiciable pour les processeurs quantiques basés sur le qubit de chat L'informatique quantique est actuellement limitée par les erreurs dans les bits quantiques (qubits). La première raison vient des taux d'erreur : les qubits présentent typiquement des taux d'erreur de l'ordre de 103 par seconde, contre environ 10-14 par seconde dans les systèmes classiques. Une seconde limitation essentielle est que contrairement aux bits classiques qui ne subissent que des bit-flips — des transitions entre 0 et 1 — les qubits sont également sensibles aux phase-flips.La correction d'erreurs quantiques constitue une approche prometteuse pour atténuer ces erreurs en encodant des qubits logiques, utilisés pour le calcul, dans un ensemble de qubits physiques. Cependant, la mise en oeuvre de la correction d'erreur nécessite à ce jour un nombre de qubits physiques trop important pour implémenter des algorithmes quantiques utiles.Les qubits de chat présentent un modèle d'erreur particulier : leur taux de bit-flip est nettement inférieur à leur taux de phase-flip. Dans le cas extrême où la probabilité de bit-flip reste négligeable pendant toute la durée du calcul, la correction d'erreur peut être entièrement dédiée à corriger les phase-flips. Des analyses théoriques suggèrent une réduction du nombre de qubits d'un facteur 10 à 100. Cet avantage dépend cependant d'une condition très forte : toutes les opérations quantiques doivent préserver le biais du bruit.Cette thèse est consacrée à la validation expérimentale de cette hypothèse centrale. Elle démontre à la fois la tomographie quantique et le contrôle quantique d'un qubit de chat caractérisé par un temps de bit-flip macroscopiquement long (>1 s). Elle prépare également les premières étapes de la réalisation d'une porte CNOT à deux qubits préservant le biais qui représente le prochain jalon dans le développement de schémas de correction d'erreur basés sur les qubits de chat.
L'encodage topologique de l'information quantique a attiré beaucoup d'attention, car c'est un modèle qui semble propice à résister aux erreurs locales. Tout d'abord, le modèle du calcul topologique est basé sur la statistique anyonique non-Abélienne universelle et sur son contrôle. Des anyons indésirables peuvent apparaître soudainement, en raison de fluctuations thermiques ou de processus virtuels. La présence de ces anyons peut corrompre l'information encodée, il est nécessaire de les éliminer: la correction consiste à fusionner les défauts tout en préservant la topologie du système. Ensuite, dans le cas des codes topologiques, on doit aussi protéger l'information encodée dans la topologie. En effet, dans ces systèmes, on n'a accès qu'à une fraction de l'information décrivant l'erreur. Elle est recueillie par des mesures et peut être interprétée en termes de particules. Ces défauts peuplent le code et doivent être annihilés adéquatement dans le but de préserver l'information encodée. Dans ce mémoire, nous proposons un algorithme efficace, appelé décodeur, pouvant être utilisé dans les deux contextes décrits ci-haut. Pour y parvenir, cet algorithme s'inspire de méthodes de renormalisation et de propagation de croyance. Il est exponentiellement plus rapide que les méthodes déjà existantes, étant de complexité [Caractères spéciaux omis] (l[indice supérieur 2] log l) en série et, si on parallélise, [Caractères spéciaux omis] (log l) en temps, contre [Caractères spéciaux omis] (l[indice supérieur]6) pour les autres décodeurs. Le temps étant le facteur limitant dans le problème du décodage, cette caractéristique est primordiale. De plus, il tolère une plus grande amplitude de bruit que les méthodes existantes; il possède un seuil de ~ 16.5% sur le canal dépolarisant surpassant le seuil déjà établi de ~ 15.5%. Finalement, il est plus versatile. En effet, en étant limité au code de Kitaev, on ne savait pas décoder les codes topologiques de manière générale (e.g. codes de couleur). Or, le décodeur proposé dans ce mémoire peut traiter la grande classe des codes topologiques stabiliseurs.
Dans cet article, nous faisons le point sur l’élaboration et l’usage potentiel des ordinateurs quantiques tolérants aux fautes capables de traiter de manière fiable des calculs complexes en surmontant les erreurs et le bruit inhérent aux systèmes quantiques. Dans un premier temps, les intérêts attendus en gains de performance par le calcul quantique sont évoqués ainsi que leurs limites à la fois théoriques et pratiques. Dans un second temps, la nécessaire correction d’erreurs quantiques est abordée. Cette dernière passe par l’encodage de l’information logique, que l’on souhaite protéger, sur un grand nombre de qubits physiques délocalisés afin d’avoir un qubit fiable. Tout en estimant qu’il faut au maximum mille qubits physiques pour obtenir un qubit logique fiable, nous soulignons la difficulté majeure que constitue le passage à l’échelle du nombre de qubits physiques pour résoudre des problèmes réels. Sont ensuite énoncées les différentes technologies de qubits ainsi que leurs enjeux. Puis est abordée la problématique du passage à l’échelle de manière modulaire par l’interconnexion de petits modules quantiques. Une quatrième partie mentionne les enjeux économiques et la coopétition avec les calculateurs classiques et l’IA. Tout en soulignant les progrès en cours et en observant la position française sur cinq voies technologiques, nous appelons aussi à la prudence au regard d’effets d’annonce.