L’essor de l’IA générative a remis au premier plan une question qui ne peut plus être esquivée : celle de l’empreinte énergétique des nouvelles technologies de calcul. Les ordinateurs quantiques à tolérance aux fautes (FTQC) ne font pas exception. Ces systèmes de demain s’appuieront sur des dizaines de milliers de qubits physiques ou bien plus, des ressources classiques de contrôle et de décodage considérables, de la cryogénie de puissance et du calcul classique. Leur consommation électrique totale pourrait rivaliser avec celle des plus grands supercalculateurs. Pourtant, les choix technologiques qui détermineront cette facture énergétique se font dès maintenant, dans les laboratoires et chez les industriels, malgré une incertitude scientifique encore forte. C’est l’objet d’une discipline émergente qui associe physique quantique, théorie de l’information, ingénierie des systèmes et économie, pour évaluer, optimiser et comparer la consommation énergétique de ces futurs systèmes.
L’essor de l’IA générative a remis au premier plan une question qui ne peut plus être esquivée : celle de l’empreinte énergétique des nouvelles technologies de calcul. Les ordinateurs quantiques à tolérance aux fautes (FTQC) ne font pas exception. Ces systèmes de demain s’appuieront sur des dizaines de milliers de qubits physiques ou bien plus, des ressources classiques de contrôle et de décodage considérables, de la cryogénie de puissance et du calcul classique. Leur consommation électrique totale pourrait rivaliser avec celle des plus grands supercalculateurs. Pourtant, les choix technologiques qui détermineront cette facture énergétique se font dès maintenant, dans les laboratoires et chez les industriels, malgré une incertitude scientifique encore forte. C’est l’objet d’une discipline émergente qui associe physique quantique, théorie de l’information, ingénierie des systèmes et économie, pour évaluer, optimiser et comparer la consommation énergétique de ces futurs systèmes.
Coût en ressource du calcul quantique grande échelle Cette thèse traite des questions de mise à l'échelle du calcul quantique tolérant aux fautes. Ces questions sont étudiées sous l'angle de l'estimation des ressources nécessaires à la mise en place de tels ordinateurs: maintenant que les premiers prototypes d'ordinateurs quantiques existent, il est temps de commencer à réaliser de telles estimations. Ce que nous appelons ressource est en principe très général, il pourrait s'agir de la puissance, de l'énergie, ou même de la bande passante totale allouée aux différents qubits. Cependant, nous nous focalisons particulièrement sur le coût énergétique du calcul quantique au sein de cette thèse, bien que la plupart des approches utilisées puissent être adapté pour traiter une quelconque autre ressource.Nous étudions dans un premier temps quelle est la précision maximale qu'un ordinateur quantique tolérant aux fautes peut atteindre en présence d'un bruit dépendant de l'échelle, c'est à dire un bruit qui augmente avec le nombre de qubits ou de portes physiques présents dans l'ordinateur. En effet, ce régime peut violer une hypothèse derrière le théorème central de la tolérance aux fautes: le théorème du seuil (« quantum threshold theorem ») qui stipule que la précision des algorithmes implémentés sur un ordinateur quantique peut être arbitrairement grande si ils sont protégés par de la correction d'erreur quantique, si suffisamment de qubits et portes physiques sont à disposition, et si le taux de bruit est en dessous d'un certain seuil. Cette dernière hypothèse devant être vérifiée peu importe le nombre d'éléments physiques dans l'ordinateur, un bruit dépendant de l'échelle peut la violer. Dans le cas où ce bruit dépendant de l'échelle peut être exprimé en fonction d'une ressource, ces estimations permettent (i) d'estimer la précision maximale que l'ordinateur peut atteindre en présence d'une quantité fixée de cette ressource (ce qui permet de déduire la taille maximale des algorithmes que l'ordinateur pourra implémenter, afin de savoir si le bruit dépendant de l'échelle est un réel problème) et réciproquement (ii) d'estimer la quantité de ressource minimale permettant d'atteindre une précision donnée. Dans toute cette thèse, nos calculs sont basés sur le code correcteur d'erreur Steane concaténé (car c'est une construction bien documentée théoriquement, permettant de protéger les qubits contre une erreur arbitraire et permettant de faire des calculs analytiques). Dans un second temps, nous généralisons ces approches afin de pouvoir estimer le coût en ressource d'un calcul dans le cas le plus général. En demandant de trouver la quantité de ressource minimale requise pour effectuer un calcul sous la contrainte que l'algorithme fournisse une réponse correcte avec une probabilité ciblée, il est possible d'optimiser l'intégralité de l'architecture de l'ordinateur permettant de minimiser la dépense en ressource tout en ayant une réponse correcte. Nous appliquons cette démarche à un modèle complet d'ordinateur tolérant aux fautes basé sur des qubits supraconducteurs. Nos résultats indiquent que pour des algorithmes implémentés sur plusieurs milliers de qubits logiques, notre méthode permet de réduire la facture énergétique d'un facteur 100, dans des régimes où sans optimisation la consommation en puissance pourrait dépasser le gigawatt. Ce travail illustre le fait que le coût énergétique du calcul quantique devrait être un critère en soit permettant d'évaluer le potentiel de mise à l'échelle des ordinateurs quantiques. Il illustre aussi que l'optimisation de l'architecture d'un ordinateur quantique, via des méthodes transversales, incluant les aspects algorithmiques, de physique quantique, et d'ingénierie, telles que celles que nous proposons, peut se révéler être un outil puissant permettant d'améliorer grandement le potentiel de mise à l'échelle. Enfin, nous donnons des premières pistes permettant de savoir comment réaliser des ordinateurs quantiques économes en énergie.
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.
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.
L'optique linéaire a été l'un des premiers candidats pour le calcul quantique. Elle présente plusieurs avantages majeurs : une grande robustesse face à la décohérence, une compatibilité naturelle avec les systèmes de communication quantique et un fonctionnement possible à température ambiante. Cependant, son développement a été freiné par des difficultés importantes, notamment une forte sensibilité aux pertes de photons et l'absence de portes d'intrication déterministes. L'émergence de systèmes à émetteurs quantiques, combinant un qubit de spin et la capacité d'émettre des photons intriqués, ouvre aujourd'hui une voie prometteuse. Ces systèmes offrent de nouvelles perspectives pour surmonter les limites historiques de l'optique linéaire, en particulier dans le cadre du calcul quantique tolérant aux fautes (FTQC). Dans cette thèse, j'étudie comment générer efficacement de l'intrication entre qubits photoniques en utilisant l'optique linéaire. J'explore de nouvelles architectures de calcul quantique tolérantes aux défaillances, qui associent les outils de l'optique linéaire à la génération d'intrication basée sur des émetteurs quantiques. L'objectif central est de concevoir un schéma de calcul à la fois robuste face aux pertes de photons et adapté aux contraintes physiques de la création d'intrication dans les plateformes photoniques. Je présente des résultats qui mettent en lumière certaines limitations fondamentales de la génération d'intrication en optique linéaire. En particulier, j'analyse les contraintes liées à la préparation d'états intriqués à deux photons, tant dans les régimes de génération post-sélectionnée que dans ceux à signalement (heralded). J'introduis également une nouvelle interprétation des interféromètres de mesure intriquante, tels que la mesure de Bell optique, qui conduit à la conception de nouvelles portes d'intrication à signalement pour les qubits photoniques. Enfin, j'étudie une architecture originale de calcul quantique tolérant aux fautes basée sur des émetteurs quantiques et j'en évalue les performances de tolérance aux erreurs dans différents modèles de bruit pertinents. Le calcul s'effectue sur les degrés de liberté de spin des émetteurs quantiques, tandis que les opérations d'intrication sont réalisées via des mesures intriquantes sur les photons émis. Cette architecture hybride vise à conserver les atouts des systèmes photoniques tout en atténuant leurs deux principales faiblesses : la perte de photons et l'intrication probabiliste. Elle se distingue par une utilisation efficace des ressources et ouvre de nouvelles perspectives pour la conception d'architectures FTQC, notamment grâce à une mise en œuvre efficace de circuits fondés sur les codes de Floquet.
Les circuits supraconducteurs représentent une plateforme de choix pour le développement de technologies quantiques en raison de leurs propriétés de cohérence et de notre habilité à concevoir et à manipuler leur dynamique quantique de manière flexible. La réalisation de technologies ayant le potentiel de s’avérer utiles pour la société, telles qu’un ordinateur quantique tolérant aux fautes, nécessite cependant d’augmenter considérablement notre capacité à réaliser des opérations quantiques spécifiques sur ces systèmes et ce sans engendrer d’erreurs. Pour ce faire, il est nécessaire d’améliorer à la fois notre caractérisation, notre modélisation et notre contrôle des dispositifs quantiques afin d’être en mesure de comprendre et d’atténuer de façon pratique les sources d’erreurs qui limitent les performances actuelles. Mes travaux s’attaquent à cette problématique en développant de nouvelles approches pour sonder les qubits supraconducteurs, pour utiliser l’information acquise afin de concevoir des descriptions simplifiées de leur fonctionnement et de leurs imperfections, puis finalement pour optimiser nos contrôles externes sur ces modèles afin de réaliser des opérations avec des erreurs minimales. Plus spécifiquement, je me suis d’abord intéressé à la modélisation et à la simulation de la première expérience de correction d’erreurs quantiques avec des qubits supraconducteurs, laquelle a été réalisée dans le groupe d’Andreas Wallraff à l’ETH Zürich. Notre description numérique de cette expérience impliquant 17 qubits a permis de démontrer notre compréhension des résultats expérimentaux en plus d’étudier l’effet des différentes sources d’erreurs qui devront être mitigées dans les expériences futures. Dans l’objectif de contribuer concrètement à la réalisation d’opérations quantiques avec de meilleures fidélités, j’ai ensuite développé une méthodologie combinant l’apprentissage automatique et le contrôle optimal quantique. Cette approche a le potentiel de s’avérer fort utile en raison de sa simplicité d’utilisation et de son efficacité, lesquelles sont démontrées ici sur le contrôle d’un qubit supraconducteur. En collaboration avec le groupe de recherche chez Google Quantum AI, je me suis ensuite intéressé à la caractérisation précise des opérations réalisées sur des dispositifs comportant des dizaines de qubits. Nous avons développé deux protocoles qui sont robustes et très efficaces afin d’extraire une description des portes logiques qui peut directement être utilisée afin de calibrer ces opérations. Finalement, j’ai contribué à la conception d’une approche numérique permettant de résoudre des problèmes arbitraires d’optimisation sur les dynamiques de grands systèmes quantiques ouverts. Cette méthode possède un coût en mémoire minimal, ce qui nous permet de nous attaquer à des problèmes de contrôle optimal qui étaient autrement inaccessibles, comme l’optimisation de la mesure dispersive d’un qubit supraconducteur décrite par un modèle réaliste. Somme toute, mes travaux présentent plusieurs exemples où une approche basée sur un modèle et une compréhension physique nous permet de combiner la caractérisation au contrôle afin de contribuer concrètement au développement de technologies quantiques.
Centenaire, la physique quantique a permis des inventions majeures tels le laser ou le transistor, élément de base de nos ordinateurs et smartphones et, par conséquent, de notre civilisation de l’information et de la télécommunication. Désormais, une seconde révolution est en cours, celle de l’information quantique dont l’unité n’est plus le bit mais le bit quantique - dit qubit. Le monde quantique est un univers particulier, celui des particules atomiques et subatomiques, où règnent les probabilités et les concepts de superposition, de non-clonage et d’intrigante intrication. Les progrès parallèles et continus de la recherche et de la technologie ont permis de valider et d’exploiter ces phénomènes, et de développer notre capacité à manipuler des objets quantiques individuels (atomes, électrons, photons) pour y stocker, traiter et lire des qubits. Ces progrès ont conduit à l’émergence d'une nouvelle génération d’appareils, dont certains, déjà commercialisés, pourraient révolutionner des domaines aussi variés que la métrologie, les télécommunications et l’informatique, tant ils surpasseraient les performances des technologies existantes. En métrologie, l’extrême sensibilité des objets quantiques aux influences externes les rend idéaux pour la réalisation de mesures de grandeurs physiques à haute précision, mais certains dispositifs devront être miniaturisés. Les télécommunications cryptées sont dès aujourd’hui sous la menace d’un futur ordinateur quantique dont la puissance de calcul exponentielle pourrait casser les cryptosystèmes actuellement utilisés, mais l’intrication et l’impossibilité de cloner les qubits apporteraient une solution quantique… à la menace quantique Enfin, en exploitant les superposition et intrication de qubits, les ordinateurs quantiques pourraient effectuer des calculs totalement inaccessibles aux supercalculateurs classiques, ce qui profiterait à de nombreuses industries (chimie, énergie, transport…). Cependant, les qubits actuels sont trop bruités et les erreurs de calculs trop nombreuses. Des protocoles de correction sont proposés mais ils nécessiteront l’intégration d’un grand nombre de qubits de meilleure qualité si bien que les ressources nécessaires pour les mettre en place vont bien au-delà des capacités de la technologie existante. En attendant, des solutions matérielles et algorithmiques, adaptables à la situation actuelle, sont explorées pour démontrer un réel avantage quantique sur un cas d’usage pratique.