Source: The Conversation – in French – By Dimitri Bonanni-Surprenant, Ph. D. Student in numerical physics, Université du Québec à Trois-Rivières (UQTR)
Les ordinateurs quantiques promettent de résoudre des problèmes hors de portée des machines conventionnelles : simuler des molécules pour concevoir de nouveaux médicaments, imaginer des matériaux inédits, ou casser les codes qui sécurisent aujourd’hui nos communications. Cependant, leurs composantes accumulent rapidement les erreurs, si bien que les méthodes de correction nécessitent une infrastructure extrêmement gourmande en ressources et en énergie. À Sherbrooke, une poignée de chercheurs et une entreprise québécoise misent sur une solution à contre-courant.
Du bit au qubit
Les ordinateurs classiques et quantiques se différencient fondamentalement par leurs composantes de base servant à encoder leurs bits d’information – les fameux 0 et 1. Un ordinateur classique utilise des transistors, c’est-à-dire des interrupteurs pouvant être soit éteints (0), soit allumés (1).
Les ordinateurs quantiques utilisent plutôt des systèmes quantiques (atomes, micro-ondes), qui ont la particularité de pouvoir se trouver en superposition de plusieurs états à la fois – une propriété unique aux systèmes quantiques. Un atome peut, par exemple, être en superposition d’états reposé et excité en même temps.
Il est ainsi possible d’utiliser ces états quantiques pour encoder des qubits (ou bits quantiques) qui supporteront une superposition de 0 et 1 en même temps. Un état à n qubits peut alors se trouver dans une superposition de 2n états. Par exemple, l’état à deux qubits peut être en superposition de 22 = 4 états, soient 00,01,10,11.
On réfère à un qubit physique lorsqu’on accentue la propriété d’un système physique à posséder deux états (l’atome au repos ou excité), et au qubit logique lorsqu’on s’intéresse à l’information utile au calcul de l’ordinateur contenue dans ce système (0 ou 1).
Il se trouve qu’il est possible de tirer parti de la propriété de superposition afin de décupler la puissance de calcul. En effet, chaque opération de l’ordinateur quantique est appliquée sur les 2n éléments de la superposition en même temps. Attention cependant : il n’est pas possible de connaître chacun de ces éléments en même temps. Prendre avantage de la puissance de calcul nécessite des astuces mathématiques qui ne s’appliquent que dans certains cas.
La faille des qubits
Un inconvénient des qubits – et des systèmes quantiques en général – est que ceux-ci présentent une grande fragilité qui, au moindre contact avec leur environnement, cause la perturbation de leur état et donc de l’information qu’ils encodent.
Un atome au repos peut, par exemple, subir une excitation spontanée, entraînant une erreur logique en transformant l’état 0 en l’état 1.
Une micro-onde, elle, peut s’échapper de sa cavité et ne laisser aucune trace de l’information préalablement encodée.
Cela étant dit, le plus grand problème des systèmes quantiques est qu’il est impossible de simplement copier leur information pour la sauvegarder – la parade classique contre les erreurs. Ceci est dû à un théorème fondamental en physique quantique, celui du non-clonage. Corriger ces erreurs est donc devenu le grand défi du domaine.
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Pour protéger l’information sans la copier, l’approche la plus répandue consiste à la répartir sur un grand nombre de qubits physiques fragiles.
Par exemple, on peut définir un qubit logique aux valeurs 0 et 1 correspondant respectivement à l’état de trois qubits physiques r-r-r/e-e-e (r pour repos et e pour excité). Cette redondance permet de protéger en grande partie l’intégrité de l’information malgré les erreurs de l’environnement. Par exemple, si une erreur inverse le deuxième qubit physique, on aura les états r-e-r/e-r-e : on peut détecter le qubit fautif par vote de majorité et le réinverser pour retrouver l’état initial r-r-r/e-e-e.
Un seul qubit logique, c’est-à-dire portant réellement le calcul, peut ainsi nécessiter des centaines, voire des milliers de qubits physiques travaillant de concert pour engendrer une robustesse adéquate à un calcul quantique utile. C’est la stratégie des « codes de qubits », et plus particulièrement des « codes de surface » adoptés entre autres par Google. Elle fonctionne, mais requiert une quantité de matériel immense. En construire une machine réellement utile exigerait des millions de qubits.
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Une autre avenue : les codes bosoniques
Les codes bosoniques constituent une approche fondamentalement différente. Plutôt que de multiplier les composants, ils utilisent la redondance d’un seul système : un oscillateur quantique.
Une micro-onde piégée dans une cavité d’aluminium froide en est un bon exemple. Pour donner une intuition, c’est en principe comme un four à micro-ondes de cuisine, mais refroidi à une fraction de degré au-dessus du zéro absolu. Là où un qubit physique ordinaire, comme un atome, ne possède que deux états (repos et excité), un oscillateur en possède une infinité.
La redondance nécessaire pour protéger l’information existe donc déjà à l’intérieur d’un seul objet physique, à condition d’utiliser un encodage astucieux.
La redondance dans l’espace des phases
Pour saisir cette protection, il faut se représenter l’état de l’oscillateur dans un plan appelé « espace des phases ».
Au sein de l’espace des phases, l’infinité des états d’un système est explicitement illustrée par une infinité de positions et de vitesses possibles que peut posséder ce système. Un objet classique tel qu’une boule de billard y occuperait un point net. Ce point représente la probabilité de 100 % que la boule se situe à la position x avec une vitesse y.
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L’oscillateur quantique, lui, ne peut jamais être aussi précis. Un principe d’incertitude le condamne à occuper une superposition de différentes positions et vitesses avec une certaine probabilité. Ceci se représente comme une tache étalée dans l’espace des phases.
Une conséquence directe de ce phénomène quantique est que l’oscillateur, même au repos, ne peut jamais posséder une position et une vitesse parfaitement nulle. De plus, lorsqu’on effectue une mesure sur l’oscillateur avec un appareil en laboratoire, la superposition s’effondre et on détruit l’état quantique de l’oscillateur. Pourtant, c’est précisément la superposition des états qui confère la puissance aux ordinateurs quantiques.
Alors, comment effectuer des mesures pour détecter et corriger les erreurs des oscillateurs sans détruire leurs états ? C’est exactement ici que les codes bosoniques interviennent.
Un chat, une grille
Les codes bosoniques utilisent à leur avantage des superpositions symétriques de positions et de vitesses des oscillateurs quantiques afin de protéger ces derniers contre les erreurs. L’idée clé est qu’il est possible d’effectuer des mesures particulières qui détectent et corrigent ces erreurs sans détruire les symétries de la superposition. Cela a pour conséquence de préserver le contenu logique pertinent au calcul, lui-même encodé dans les symétries.
Le code du chat, en écho au fameux chat de Schrödinger, encode le 0 et le 1 dans deux taches bien séparées. Cet état possède une symétrie de rotation : tourner d’un demi-cercle l’état autour du centre redonne le même résultat. Les codes GKP, eux, dispersent l’information sur toute une grille. Ces grilles possèdent des symétries de rotation et de translation.
Les erreurs les plus courantes perturbent les oscillateurs quantiques en déplaçant leur état dans ce plan. Pour la grille, un tel décalage éloigne l’état des points attendus, tel qu’illustré sur l’image de droite de la figure ci-dessus. Il est alors possible de détecter et corriger cet écart tout en préservant la structure de grille – autrement dit sans jamais lire et détruire l’information logique encodée – ce qui serait impossible sans la redondance de l’oscillateur et le bon encodage.
Une voie québécoise
C’est précisément cette piste qu’explore Nord Quantique, une entreprise née en 2020 de l’Institut quantique de l’Université de Sherbrooke. Dès 2024, elle prolongeait la durée de vie de l’information d’un qubit en corrigeant ses erreurs au sein d’un seul système physique, sans ajouter de qubits supplémentaires. En 2025, elle franchissait une étape de plus avec le code Tesseract, réparti sur plusieurs fréquences de la cavité. Et en décembre 2025, le gouvernement fédéral lui accordait jusqu’à 23 millions de dollars pour accélérer ses travaux.
Les codes bosoniques ne sont cependant pas une solution miracle. Contrôler précisément un oscillateur quantique reste délicat, et y réaliser les opérations d’un calcul demeure un défi de taille. D’ailleurs, les deux philosophies ne s’opposent pas vraiment. Les architectures les plus prometteuses les combinent, en concaténant des qubits bosoniques au sein de codes de qubits pour tirer parti du meilleur des deux mondes.
Il ne s’agit pas non plus d’une simple prouesse technique. Moins de qubits physiques, c’est moins de réfrigération et d’électronique de contrôle, donc des machines potentiellement bien plus sobres en énergie. C’est aussi une question de souveraineté technologique. Le Canada a fait de la quantique une priorité stratégique, et Sherbrooke s’est imposé comme l’un de ses pôles mondiaux. La course aux ordinateurs quantiques utiles ne se jouera peut-être pas à coups de millions de qubits, mais sur notre capacité à en faire beaucoup plus avec beaucoup moins.
Dimitri Bonanni-Surprenant détient des parts dans Alphabet inc.
Jérémie Boudreault ne travaille pas, ne conseille pas, ne possède pas de parts, ne reçoit pas de fonds d’une organisation qui pourrait tirer profit de cet article, et n’a déclaré aucune autre affiliation que son organisme de recherche.
– ref. Comment une entreprise québécoise veut résoudre le casse-tête des ordinateurs quantiques – https://theconversation.com/comment-une-entreprise-quebecoise-veut-resoudre-le-casse-tete-des-ordinateurs-quantiques-286819