Des anyons non abéliens peuvent exécuter tout calcul quantique, selon une équipe de Chicago

Publiée dans Nature et annoncée par l'Université de Chicago le 25 septembre, l'expérience a combiné deux mécanismes, le tressage et la fusion, pour produire ce que l'équipe appelle un jeu de portes universel. Selon ScienceDaily, qui a relayé le communiqué de l'université, le travail a impliqué l'École Pritzker de génie moléculaire de l'UChicago, Harvard, l'Université de Stony Brook et Quantinuum.

« Universel » signifie qu'une machine peut exécuter n'importe quel algorithme quantique, pas seulement une tâche spécialisée. Le résultat est une preuve de principe sur 54 qubits, pas un ordinateur généraliste fonctionnel.

La correction d'erreurs est devenue le problème d'ingénierie central du domaine. Les ordinateurs quantiques sont fragiles : l'information est généralement répartie sur de nombreux qubits physiques pour survivre au bruit, mais ces états protégés ne peuvent généralement pas exécuter toutes les opérations nécessaires à une machine universelle. Les ingénieurs comblent cet écart avec des « états magiques », des ressources préparées qui nécessitent une étape de purification appelée distillation, susceptible de consommer une grande partie des qubits disponibles. Le nouveau papier soutient que les anyons non abéliens pourraient éviter entièrement ce coût.

« Les codes non abéliens sont un cheval noir dans la course à la correction d'erreurs quantiques », a déclaré Henrik Dreyer, directeur général et responsable scientifique du bureau de Quantinuum à Munich et co-auteur de l'étude. « Dans ce travail, nous présentons le premier jeu de portes universel dans un code non abélien, ce qui démontre que des calculs tolérants aux pannes peuvent en principe être effectués sans recourir à la distillation ou à la culture d'états magiques, qui sont les opérations les plus coûteuses dans les codes de correction d'erreurs quantiques standards. »

Ces anyons n'existent pas comme particules autonomes dans la nature. Les scientifiques les créent à l'intérieur des circuits en intriquant de nombreux qubits ordinaires dans un état collectif qui obéit à ses propres règles. Déplacer un anyon autour d'un autre, un processus appelé tressage, modifie l'état encodé ; l'ordre de ces déplacements compte, c'est ce que signifie « non abélien ». Parce que l'information est répartie sur le groupe intriqué, elle est également protégée contre certaines petites perturbations.

Une expérience antérieure de 2024 réalisée par certains des mêmes chercheurs a créé des anyons liés à un groupe de symétrie appelé D4, les rotations et réflexions qui laissent un carré inchangé, sur une machine à ions piégés de Quantinuum. Cela a montré que les particules pouvaient être créées et déplacées, mais le tressage seul ne suffisait pas pour un calcul universel.

« Dans ce travail, nous n'avons pas démontré que ces forces émergentes suffisaient à faire du calcul quantique », a déclaré Ruben Verresen, professeur assistant en génie moléculaire à l'UChicago PME et co-auteur. « L'univers particulier que nous avons créé n'était pas assez puissant. »

Pour la nouvelle étude, l'équipe est passée à S3, le groupe de symétrie d'un triangle équilatéral, et a construit les anyons correspondants sur le processeur H2 de Quantinuum en utilisant 54 qubits intriqués. Verresen a décrit les codes comme « créant de petits univers », dans des commentaires publiés par l'université. La revendication du papier est étroite et testable : ce code particulier supporte un jeu de portes universel sur matériel.

La même semaine, le Département américain de l'Énergie a soutenu une question différente : à quoi doivent servir les ordinateurs quantiques. Le 25 septembre, le Fermilab a publié le rapport du comité SCAC Quantum, « Path to an Integrated Quantum Future », suivant un effort sectoriel présidé par Anna Grassellino, chief technology officer de Fermilab, avec Supratik Guha, professeur à l'Université de Chicago, comme vice-président.

Le rapport définit un chemin vers un ordinateur quantique corrigé des erreurs et scientifiquement pertinent d'ici 2028, et esquisse un plan en trois phases : des Défis Majeurs concurrentiels de 2026 à 2028 associant laboratoires nationaux, universités et industrie ; une installation utilisateur de calcul quantique du DOE, décrite dans le rapport comme un instrument scientifique ouvert plutôt qu'un service commercial en nuage ; et l'intégration de processeurs quantiques dans l'infrastructure de calcul à haute performance et d'IA du DOE à partir de 2030. Les applications cibles mentionnées incluent la prédiction moléculaire pour la découverte de médicaments, les catalyseurs pour la fabrication, les matériaux pertinents pour la fusion et la physique de l'univers primitif.

Les fabricants de matériel poussent en parallèle sur le côté cryogénique. IBM a déclaré le 19 août qu'elle avait joint et refroidi deux systèmes cryogéniques modulaires dans un environnement unique, une étape vers le lien de centaines de puces quantiques. Les modules mesurent plus de 8 pieds de haut et 8 pieds de large, refroidissent à 4 Kelvin en moins de cinq jours et descendent sous 15 millikelvin, ce qu'IBM décrit comme plus de 180 fois plus froid que l'espace profond. IBM prévoit d'installer des processeurs Nighthawk dans les modules plus tard cette année et vise toujours une machine tolérante aux pannes, Starling, en 2029.

Entre les qubits et les réfrigérateurs se trouve un problème moins visible : modéliser l'électronique de contrôle et de lecture qui doit fonctionner à quelques degrés au-dessus du zéro absolu. Un article sponsorisé publié par Semiconductor Engineering le 24 septembre décrit un flux de travail qui extrait un modèle compact BSIM-BULK à température ambiante, puis utilise un réseau de neurones hybride pour apprendre le comportement cryogénique résiduel que le modèle physique ne peut pas capturer, en utilisant des données de mesure à 4 K ou moins. L'article cite un taux de croissance annuel composé de 41,8 % pour le marché du calcul quantique de 2025 à 2030, attribué à MarketsandMarkets, une prévision à traiter comme une projection du côté fournisseur plutôt qu'une mesure. La demande totale de puissance pour ces systèmes cryogéniques est estimée à 4 000 watts par module.

Lus ensemble, les deux annonces de septembre pointent dans des directions opposées. Le résultat sur les anyons est une revendication spécifique, vérifiée sur matériel, concernant une voie vers la tolérance aux pannes, et ses auteurs précisent qu'elle supprime une étape coûteuse en principe plutôt que dans une machine de production. La feuille de route du DOE est un document politique avec des dates et aucune nouvelle expérience derrière.

Un désaccord à noter : le rapport SCAC soutient que la réussite doit être mesurée par l'utilité scientifique plutôt que par des jalons centrés sur le matériel, tandis que la même feuille de route s'engage toujours sur une machine corrigée des erreurs d'ici 2028. Ces deux mesures ne sont pas les mêmes, et le rapport ne les réconcilie pas.

Le test à court terme est de savoir si d'autres groupes peuvent reproduire le jeu de portes universel S3 et si les opérations basées sur la fusion s'étendent au-delà de 54 qubits. En attendant, le cheval noir a gagné une course, pas la course.