Une semaine chargée pour l'informatique quantique : anyons universels, feuille de route du DOE et matière surgie de rien

Le résultat, détaillé dans une étude publiée dans Nature et attribué à la Pritzker School of Molecular Engineering de l'université de Chicago, à Harvard, à l'université de Stony Brook et à Quantinuum, s'inscrit dans une série d'annonces sur l'informatique quantique. En quatre jours, celle-ci a aussi produit une feuille de route du département de l'Énergie des États-Unis et une simulation de particules formées à partir d'une corde d'énergie étirée.

Les anyons non abéliens ne se trouvent pas dans la nature. On les crée à l'intérieur d'un circuit quantique en intriquant de nombreux qubits ordinaires jusqu'à ce que l'état collectif se comporte comme une nouvelle sorte de particule, avec ses propres règles.

Chaque anyon porte un état interne qui change quand on le déplace autour d'un autre, un processus appelé tressage, et l'ordre de ces déplacements compte. Cette propriété permet d'encoder et de manipuler l'information d'une manière hors de portée des particules ordinaires. Le problème, avec les travaux antérieurs, était que le tressage seul ne suffisait pas. En 2024, une équipe incluant Ruben Verresen, de l'UChicago PME, avait construit sur une machine Quantinuum des anyons liés au groupe de symétrie D4, mais ce système ne pouvait pas exécuter toutes les opérations dont un ordinateur quantique universel a besoin.

« Dans ce travail, nous n'avons pas démontré que ces forces émergentes suffisaient à faire du calcul quantique », a déclaré Verresen dans le compte rendu de ScienceDaily. « Cet univers particulier que nous avions créé n'était pas assez puissant. »

Pour la nouvelle expérience, les chercheurs sont passés à une autre symétrie, S3, qui décrit les rotations et les réflexions laissant un triangle équilatéral inchangé, et ont créé les anyons correspondants sur le processeur à ions piégés H2 de Quantinuum, avec 54 qubits intriqués. Le système S3 présentait les propriétés qui manquaient à la version D4, et l'équipe a combiné tressage et fusion pour atteindre un jeu de portes pleinement universel.

« Nous avons démontré ce qu'on appelle un jeu de portes universel, c'est-à-dire que si vous stockez de l'information dans ces versions émergentes de quarks et que vous les déplacez, vous pouvez faire n'importe quel calcul quantique dont vous pourriez avoir besoin », a déclaré Verresen.

L'enjeu dépasse la physique : c'est le coût. Les ordinateurs quantiques sont sujets aux erreurs, si bien que l'information est répartie sur de nombreux qubits physiques pour la protéger. Ces schémas de correction d'erreurs préservent les données mais ne fournissent généralement pas toutes les opérations nécessaires au calcul universel. Les ingénieurs comblent le manque avec des « états magiques » préparés spécialement, qui exigent un processus de distillation intensif pouvant consommer une grande part des qubits disponibles d'une machine.

« Les codes non abéliens sont un outsider dans la course à la correction d'erreurs quantiques », a déclaré Henrik Dreyer, directeur général et responsable scientifique du bureau munichois de Quantinuum, coauteur de l'étude. « Dans ce travail, nous montrons le premier jeu de portes universel dans un code non abélien, ce qui démontre que des calculs tolérants aux fautes peuvent en principe être réalisés sans recourir à la distillation ou à la cultivation d'états magiques, qui sont les opérations les plus coûteuses des codes de correction d'erreurs quantiques standard. »

Cette affirmation reste très loin d'une machine opérationnelle, et l'article est une preuve de principe, pas un produit. Il tombe néanmoins dans une semaine où le domaine s'est montré inhabituellement bruyant.

Une feuille de route, une simulation et un réfrigérateur

Le 27 septembre, Fermilab a publié le rapport du comité quantique du SCAC du département de l'Énergie, « Path to an Integrated Quantum Future », qui expose un plan en trois phases visant à démontrer d'ici 2028 un ordinateur quantique corrigé des erreurs et scientifiquement pertinent. La première phase court de 2026 à 2028 et consiste en « Quantum Grand Challenges » compétitifs associant laboratoires nationaux, universités et industrie. La deuxième phase établirait une DOE Quantum Computing User Facility, décrite dans le rapport comme un instrument scientifique ouvert plutôt qu'un service cloud commercial. La troisième phase, à partir de 2030, envisage des coprocesseurs quantiques, des simulateurs et des capteurs intégrés aux réseaux d'IA et de calcul haute performance du DOE.

Le rapport a été dirigé par un sous-comité présidé par Anna Grassellino, directrice technique de Fermilab, avec Supratik Guha, de la Pritzker School of Molecular Engineering de l'université de Chicago, comme vice-président. Fermilab indique que le processus a recueilli les contributions de centaines de personnes issues des laboratoires nationaux, du monde universitaire, de l'industrie et des agences fédérales. Il insiste aussi sur une position neutre sur le plan technologique, refusant de choisir un type de qubit gagnant.

Deux jours plus tôt, le 26 septembre, ScienceDaily relayait une expérience menée par Duke et publiée le 23 septembre dans Nature Physics. Les chercheurs ont encodé un modèle de rupture de corde dans une chaîne de 13 ions piégés, en réglant leurs interactions au moyen de faisceaux laser, puis ont observé l'évolution d'un système hors équilibre.

Le processus simulé est celui où deux blocs de matière connectés sont écartés jusqu'à ce que l'énergie accumulée suffise à faire apparaître de nouvelles paires de particules au moment où le lien se rompt, le mécanisme que l'on pense avoir opéré dans les conditions extrêmes juste après le Big Bang.

« Les simulations sur ordinateur quantique offrent la meilleure plateforme pour étudier des questions complexes comme la formation de la matière, à défaut d'avoir assisté au Big Bang lui-même », a déclaré Christopher Monroe, qui a dirigé les recherches à Duke. L'équipe a comparé le résultat quantique à un calcul classique, et les deux concordaient. Les chercheurs notent que les machines classiques peuvent encore traiter des simulations de cette taille et s'attendent à ce que le matériel quantique devienne nécessaire seulement à mesure que les problèmes grandissent.

IBM, de son côté, travaille à la plomberie. Son annonce du 19 août, toujours la plus récente divulgation de l'entreprise dans ce dossier, indiquait qu'elle avait assemblé et refroidi deux modules cryogéniques dans un même environnement, une étape vers la connexion de centaines de puces quantiques. Les modules mesurent plus de 8 pieds de haut et 8 pieds de large et ont été refroidis à 4 kelvins en moins de cinq jours avant d'atteindre moins de 15 millikelvins. IBM affirme que l'enceinte à vide de chaque module offre jusqu'à 12 fois plus d'espace de câblage que ses systèmes quantiques les plus répandus. La feuille de route de l'entreprise vise au moins 1 000 qubits programmables d'ici 2027 et une machine tolérante aux fautes, IBM Quantum Starling, en 2029.

Un blog sectoriel, SemiEngineering, a situé le marché de l'électronique de support à un taux de croissance annuel composé de 41,8 pour cent de 2025 à 2030, en citant MarketsandMarkets, et a soutenu que des modèles précis de dispositifs à température cryogénique deviennent un goulot d'étranglement pour la montée en échelle. Il s'agit d'un article sponsorisé, non d'une recherche évaluée par les pairs, et il faut le lire comme tel.

Pris ensemble, ces quatre développements donnent une image inégale. Le résultat sur les anyons et la simulation de Duke sont des démonstrations de laboratoire assorties de réserves claires. La feuille de route du DOE est un plan, pas une machine. Les modules cryogéniques d'IBM sont une étape industrielle sur un calendrier que d'autres ont déjà manqué. Ce que la semaine montre, c'est que le domaine pousse désormais sur plusieurs fronts à la fois, des mathématiques des particules exotiques au câblage à l'intérieur d'un réfrigérateur.