Les ordinateurs quantiques en présence de contraintes de ressources – QuRes

L'informatique quantique fait actuellement l'objet d'attentes élevées de la part des grandes entreprises et des gouvernements du monde entier. L’existence d’ordinateurs quantiques universels repose sur la capacité à corriger les erreurs au cours du calcul. Il existe divers schémas de calcul quantique tolérant aux erreurs, mais tous requièrent un nombre élevé de bits quantiques, et le traitement d’importants flux d’information classique. La mise à l’échelle de l'ordinateur quantique tolérant aux erreurs pourrait impliquer un coût exponentiel en ressources physiques – en particulier, sa facture énergétique.

Bien qu'il s'agisse d'une contrainte pratique cruciale, la prise en compte des ressources qu’implique le calcul quantique a été largement ignorée jusqu'à présent – les conditions théoriques de possibilité d’un ordinateur quantique étant préférentiellement étudiées. De nos jours, des prototypes d'ordinateurs quantiques prennent forme et les questions pratiques liées à leur mise à l’échelle deviennent pertinentes. Il est donc urgent de construire un cadre conceptuel permettant de compter les ressources nécessaires et d’optimiser leur consommation pour atteindre les performances de calcul souhaitées. Réciproquement, nous devons mieux comprendre les limites que la nature impose au calcul quantique en présence de ressources finies.

Le projet QuRes vise à construire un tel cadre général pour évaluer les ressources physiques nécessaires à l’ordinateur quantique tolérant aux erreurs, et les relier à ses performances. Nous nous inspirerons de la thermodynamique quantique, qui étudie les liens fondamentaux entre l'énergie, l'entropie et l'information dans le régime quantique. La thermodynamique peut être considérée comme une « théorie des ressources », décrivant comment effectuer des tâches utiles en présence de ressources limitées et fournissant des stratégies pratiques pour minimiser leur coût.

Notre consortium franco-singapourien est le fruit d’une collaboration construite sur plusieurs années. Il rassemble l'expertise interdisciplinaire (Calcul quantique tolérant aux erreurs, thermodynamique quantique, optique quantique et physique de l’état solide) pour répondre à ces questions cruciales. Le projet QuRes vise deux objectifs principaux, opérant respectivement aux niveaux « full-stack » et fondamental:

OBJECTIF 1. Nous développerons un cadre complet pour évaluer COMMENT DES RESSOURCES LIMITÉES IMPACTENT LA PERFORMANCE D’UN CALCUL QUANTIQUE dans des schémas standard tolérants aux erreurs. Réciproquement, nous optimiserons la consommation des ressources pour une précision de calcul visée. Nous nous concentrerons sur des scénarios réalistes issus de la plateforme de bits quantiques supraconducteurs. Nous considérerons des processeurs de taille intermédiaire, pertinents pour la première génération d'ordinateurs quantiques tolérants aux erreurs. Notre approche sera pragmatique en ce qu’elle tiendra compte des coûts cryogéniques, et de la dissipation thermique induite par l’électronique de contrôle, les amplificateurs et les atténuateurs.

OBJECTIF 2. Nous explorerons des STRATÉGIES NOUVELLES POUR SURMONTER LES LIMITES IMPOSÉES PAR LA FINITUDE DES RESSOURCES. En particulier, la correction d’erreur autonome permet la suppression des erreurs en utilisant des mécanismes purement quantiques, sans mesure ni rétroaction classiques. Ce contexte est bien adapté pour dériver des limites fondamentales universelles, indépendantes de la technologie, qui établiront le coût de ressource minimal pour atteindre une performance de calcul prescrite. Il est également bien adapté à l'étude de scénarios intelligents d'économie de ressources, tels que le calcul réversible.

Notre cadre permettra à terme de comparer différentes technologies de bits quantiques et d’architectures logicielles, et suggérera des stratégies possibles pour libérer la puissance du traitement quantique de l’information.