Order from chaos with adaptive circuits on quantum hardware

La nature est pleine de systèmes qui semblent s'emballer. Les modèles météorologiques tourbillonnent en tempêtes, les embouteillages se forment au moindre retard, et les populations de prédateurs et de proies augmentent et diminuent selon des cycles imprévisibles. Pourtant, au sein de ce désordre apparent, l'ordre émerge souvent. Les courants-jets s'organisent à partir de la turbulence, et l'activité neuronale se synchronise en rythmes réguliers dans le cerveau. Les scientifiques savent depuis longtemps qu'en observant attentivement ces systèmes chaotiques et en effectuant de minuscules ajustements opportuns, ils peuvent les guider vers un état stable. Ce principe de contrôle du chaos a permis de stabiliser des lasers et même de guider des engins spatiaux à travers des régions gravitationnelles instables. Aujourd'hui, des chercheurs se demandent si cette même idée peut fonctionner dans le monde étrange et fragile de la mécanique quantique, où les particules existent dans plusieurs états à la fois et sont facilement perturbées par leur environnement.

Le défi dans le royaume quantique est immense. Les systèmes quantiques sont incroyablement sensibles ; le moindre bruit ou erreur peut détruire l'information délicate qu'ils contiennent. Les méthodes traditionnelles de contrôle des systèmes quantiques échouent souvent car l'acte même de les mesurer modifie leur comportement. Cependant, une nouvelle approche est apparue, utilisant une combinaison d'opérations quantiques aléatoires et d'une surveillance constante. En mesurant certaines parties d'un système quantique puis en utilisant cette information pour réinitialiser ou corriger d'autres parties en temps réel, les scientifiques peuvent créer une boucle de rétroaction. Ce processus, connu sous le nom de circuit adaptatif, permet aux chercheurs de diriger un système quantique loin du chaos et vers un état stable spécifique, maîtrisant ainsi efficacement la tempête quantique.

Dans une étude récente, une équipe de chercheurs dirigée par des scientifiques d'IBM et de l'Université Rutgers a mis ce concept à l'épreuve à grande échelle. Ils ont construit un circuit quantique sur un processeur supraconducteur qui imite un modèle mathématique célèbre connu sous le nom de application de Bernoulli. Dans sa forme classique, cette application prend un nombre, le double, et ne conserve que sa partie fractionnaire, un processus qui transforme rapidement toute valeur de départ en chaos. Les chercheurs ont créé une version quantique de cette application, où le « brassage » est effectué par des portes quantiques aléatoires qui mélangent l'information des qubits entre eux. Pour contrer ce chaos, ils ont introduit un mécanisme de contrôle : à des intervalles aléatoires, ils mesuraient un qubit spécifique et, sur la base du résultat, le réinitialisaient à un état de départ connu. Cela a créé une compétition entre les forces de brassage qui tentent de répandre l'information partout et les forces de contrôle qui tentent de fixer le système à un état unique et ordonné.

L'expérience a été menée sur un processeur quantique d'IBM utilisant jusqu'à cent qubits, une étape significative par rapport aux tentatives précédentes qui étaient limitées à quelques dizaines seulement. Les chercheurs ont fait fonctionner le circuit pendant des milliers d'étapes, laissant le système évoluer jusqu'à ce qu'il atteigne un état stationnaire. Ils ont ensuite observé le comportement du système à mesure qu'ils ajustaient la fréquence des mesures de contrôle. Lorsque le contrôle était faible, le système restait chaotique, l'information étant répandue à travers tous les qubits dans un réseau complexe et intriqué. À mesure qu'ils augmentaient la fréquence des mesures et des réinitialisations, le système changeait soudainement. Il passait de cet état quantique chaotique à un état contrôlé et ordonné où les qubits se stabilisaient selon un motif prévisible. Ce changement, connu sous le nom de transition de phase, s'est produit à un point de bascule précis où les forces de contrôle ont finalement pris le dessus sur le chaos.

Ce qui a rendu cette découverte particulièrement significative, c'est la capacité d'observer la transition non seulement dans le comportement moyen du système, mais aussi dans les fluctuations des trajectoires quantiques individuelles. Dans un système classique, si vous lancez la même expérience deux fois, vous obtenez le même résultat. Dans un système quantique, même avec exactement la même configuration, la nature aléatoire de la mesure signifie que chaque exécution produit un résultat légèrement différent. Les chercheurs ont mesuré ces différences, connues sous le nom de fluctuations quantiques, et ont constaté qu'elles se comportaient de manière très spécifique au point de bascule. Ces fluctuations croissaient et décroissaient selon des lois universelles qui correspondaient aux prédictions théoriques avec une grande précision. Cela a confirmé que le système se comportait véritablement comme un objet quantique, suivant les règles complexes de la mécanique quantique, plutôt que de simplement agir comme un ordinateur classique bruyant.

Pour s'assurer que leurs résultats étaient authentiques, l'équipe a comparé ses données expérimentales à deux types différents de simulations informatiques. Une simulation modélisait le système comme un ordinateur quantique parfait, tandis que l'autre modélisait le système comme un ordinateur classique qui avait été dépouillé de toute cohérence quantique, ce qui le transformait essentiellement en un processus aléatoire et bruyant. Les données expérimentales correspondaient beaucoup plus étroitement à la simulation quantique parfaite qu'à la simulation classique. Cela a fourni une preuve solide que le processeur quantique effectuait avec succès le contrôle adaptatif complexe, maintenant sa nature quantique même en étant constamment mesuré et réinitialisé. L'étude a également révélé que la transition du chaos à l'ordre n'était pas seulement un changement d'état du système, mais un changement fondamental du comportement quantique vers un comportement effectivement classique, où le système devenait si ordonné qu'il n'exhibait plus l'intrication complexe typique de la mécanique quantique.

Ce travail représente un jalon majeur dans le développement de la technologie quantique. En coordonnant avec succès des milliers d'opérations quantiques, y compris des mesures et des réinitialisations, sur un grand nombre de qubits, les chercheurs ont démontré un niveau de contrôle essentiel à la construction de futurs ordinateurs quantiques tolérants aux fautes. Ces machines devront surveiller et corriger constamment leurs propres erreurs pour fonctionner, et cette expérience montre qu'un tel contrôle adaptatif est possible même en présence de bruit. La capacité d'observer et de comprendre ces transitions dans du matériel quantique réel rapproche les scientifiques de la maîtrise de la pleine puissance de la mécanique quantique pour résoudre des problèmes qui sont actuellement impossibles à traiter pour les ordinateurs classiques. L'étude prouve qu'avec les bons outils, même les systèmes quantiques les plus chaotiques peuvent être guidés vers un état d'ordre, ouvrant la porte à une nouvelle ère de contrôle quantique.