Philippe Campagne-Ibarcq : lever un verrou technologique majeur de l’ordinateur quantique

Assurer la fiabilité des ordinateurs quantiques

Stabiliser et contrôler un bit quantique, l’élément de base de l’ordinateur quantique, est un enjeu scientifique à fort impact technologique et un défi captivant pour Philippe Campagne-Ibarcq, chargé de recherche au sein de l’équipe-projet commune (en partenariat avec le CNRS, Sorbonne Université, ENS - PSL, Mines Paris - PSL) Quantic. Il vient de se voir décerner la prestigieuse bourse européenne ERC Starting Grants. Attribuée à de jeunes scientifiques (deux à sept ans après l’obtention de leur thèse), cette bourse leur permet de construire une équipe de recherche autour d’un thème original.

À ce titre, Philippe Campagne-Ibarcq sera le pilote du projet ERC Dancingfool qui vise à développer des bits quantiques stables et contrôlables, possédant une capacité de s’autocorriger. Une propriété recherchée pour assurer la fiabilité des ordinateurs quantiques.

En passe de bouleverser l’informatique et ses applications, l’ordinateur quantique promet d'accélérer exponentiellement la résolution de certains problèmes très complexes, et à ce jour hors de portée des supercalculateurs actuels, en particulier les problèmes d'optimisation, de calcul, et de simulation de systèmes dynamiques (par exemple chimiques et biologiques). Tous les secteurs économiques devraient en bénéficier, de la finance à la médecine en passant par l'intelligence artificielle, l’environnement, l’énergie, etc.

Corriger les erreurs liées à la "décohérence"

L’informatique quantique exploite les propriétés physiques des systèmes élémentaires (c’est-à-dire des systèmes aux échelles atomiques, et aussi des systèmes de taille bien plus élevée s’ils sont suffisamment bien isolés de perturbations extérieures). En effet, les systèmes quantiques possèdent une singulière faculté, celle de se trouver dans une superposition d’états. C’est cette caractéristique qu’exploite un ordinateur quantique : la possibilité de construire des superpositions d'états permet de développer des machines plus rapides, capables d’extraire une information globale sur un problème complexe en un seul calcul.

Toutefois, le développement d’ordinateurs quantiques opérationnels pose de nombreuses difficultés techniques et scientifiques. Les qubits (l’analogue quantique du bit de l’informatique "classique") peuvent par exemple perdre leurs propriétés quantiques, en raison d’interactions avec leur environnement – les scientifiques parlent de "décohérence" pour désigner cette instabilité des qubits, laquelle se traduit par exemple par des erreurs dans les calculs.

Conjuguer les compétences pour développer des méthodes originales

« L’équipe Quantic regroupe des compétences très variées – de mathématiciens, automaticiens, physiciens théoriques et expérimentaux – mises au service de l’ingénierie quantique », résume Philippe Campagne-Ibarcq. Composée d’une vingtaine de chercheurs, cette équipe développe des méthodes et des dispositifs originaux, fondés notamment sur des circuits supraconducteurs, assurant un traitement robuste de l'information quantique. Elle s’intéresse en particulier à des techniques permettant de stabiliser l’état d’un système quantique, et de corriger ainsi les erreurs induites par la "décohérence".

Projet Dancingfool : stabiliser les qubits

L’ambition scientifique du projet Dancingfool : développer une technique de stabilisation des qubits à taux d’erreur faible. La tâche est difficile, car, en informatique quantique, tout devient plus complexe ! En informatique classique, en effet, un bit peut prendre deux états, 0 ou 1. Ces deux états possibles sont par exemple ceux d’un atome orienté dans une direction donnée (pour le 1) ou opposée (pour le 0), lequel peut changer d’état, 0 devenant 1 et induire une "erreur de bit".

« En informatique quantique, un qubit peut prendre tous les états superposés possibles de 0 et 1, caractérisés par deux paramètres, la valeur de bit et la valeur de phase. À l’erreur de bit se cumule, pour un qubit, l’"erreur de phase". Avec des techniques conceptuellement proches de l’informatique classique, on sait aujourd’hui produire des qubits "demi-stabilisés"– c’est-à-dire que l’erreur de bit est bien contrôlée », explique Philippe Campagne-Ibarcq.

« Dans le cadre du projet Dancingfool, nous envisageons de développer une technique rendant la stabilisation robuste vis-à-vis des erreurs de bit et de phase. Cela nous permettra ensuite de réaliser des portes logiques quantiques "protégées"– l’équivalent des portes logiques de l’informatique classique – par association de deux qubits stabilisés. »

Des recherches engagées de longue date

Afin d’accomplir ce qui serait une avancée notable, Philippe Campagne-Ibarcq et son équipe de quatre doctorants et postdoctorants s’appuieront sur une méthode proposée par trois chercheurs (Daniel Gottesman, Alexei Kitaev, et John Preskill) en 2001 afin d’encoder des qubits au sein de réseaux d’"oscillateurs harmoniques" (l’équivalent de billes reliées à un ressort et vibrant à une fréquence donnée) dans des circuits supraconducteurs.

 « J’ai découvert les "états GP" (des initiales des trois chercheurs), lors de mon postdoctorat aux États-Unis dans le groupe de Michel Devoret. La lecture d’un article consacré à leurs travaux m’a littéralement fasciné et j’ai, deux ans durant, travaillé avec deux doctorants, Steven Touzard et Alec Eickbusch, afin de développer un protocole de stabilisation imparfaite de ces états », se souvient Philippe Campagne-Ibarcq. Le temps de rédiger un article de synthèse sur ses travaux – et de déménager des États-Unis vers la France –, et le chercheur rejoint Inria et l’équipe Quantic fin 2019 pour travailler entre autres sur la stabilisation des états GKP.

L’attribution de l’ERC Starting Grant ne doit donc rien au hasard, mais bien plus à un patient et original travail de recherche, engagé depuis une dizaine d’années et qui trouve son prolongement par le projet Dancingfool. Ce dernier se verra doter d’un budget de plus de 2 millions d’euros pour les cinq ans à venir, permettant de structurer une petite équipe de recherche et de réaliser des achats d’équipements plutôt onéreux.

Pour le chercheur et son équipe, le plus passionnant – et peut être le plus difficile ? – reste à accomplir…  

Pour en savoir plus

• Interview de Philippe Campagne-Ibarcq : partie 1 / partie 2, Télécom Paris Executive Education, 21/1/2020 ;
• La startup française Alice & Bob part à la quête du qubit idéal, L’Usine digitale, 8/6/2021 ;
• Quels sont les principaux acteurs de l’informatique quantique ? Inria, 16/12/2020.