L’année internationale des quanta et la décennie à venir

Un éditorial de Physical Review X Quantum annonçant le lancement de la collection de l’AQI

Au cours de l’été 1925, sur l’île d’Helgoland balayée par les vents, le jeune Werner Heisenberg a énoncé des équations matricielles qui allaient changer à jamais notre compréhension de la nature. Les travaux parallèles d’Erwin Schrödinger, qui a postulé une théorie complémentaire des équations d’ondes et démontré son équivalence avec le formalisme matriciel d’Heisenberg, ont aidé la communauté scientifique à adopter progressivement les concepts contre-intuitifs auxquels elle était confrontée à l’époque. Ensemble, ces principes révolutionnaires sont devenus la pierre angulaire de la mécanique quantique, une théorie qui, au cours du siècle suivant, allait faire l’objet d’un examen minutieux [1] et finalement servir de fondement aux technologies capables de manipuler des atomes et des photons uniques [2,3]. Aujourd’hui, alors que le monde assiste au développement des ordinateurs quantiques et s’interroge sur leurs implications [4], l’UNESCO a déclaré 2025 Année internationale de la science et de la technologie quantiques.

Pour célébrer cette étape, l’APS et les revues Physical Review réfléchissent à leur parcours commun avec la science quantique – un parcours fait de découvertes époustouflantes et d’idées transformatrices [5]. Mais quel rôle joue une jeune revue comme PRX Quantum dans cette célébration ?

N’importe quel historien dirait que la compréhension du passé est essentielle pour façonner l’avenir. Chez PRX Quantum, nous sommes constamment à la recherche de percées qui redéfinissent les limites et ouvrent de nouvelles frontières. Pour célébrer les 100 ans de la mécanique quantique, nous présentons une collection spéciale. Celle-ci commence par une perspective historique [6] qui explore la danse complexe entre la science fondamentale et sa descendance technologique. Sur la base de cette perspective, nous avons examiné nos publications récentes et sélectionné une poignée d’articles qui offrent un aperçu de l’avenir du domaine.

Le chemin vers la réalisation d’expériences de pensée vieilles d’un siècle – autrefois comparées par Schrödinger à des entreprises aussi stupides que d’essayer d’élever des ichtyosaures dans un zoo – a nécessité d’innombrables et ingénieuses percées techniques et conceptuelles. Ce parcours fascinant est décrit dans l’article captivant du professeur Haroche [6], qui met en lumière le rôle central joué par les lasers dans la science quantique.

Comme le note le professeur Haroche, nous assistons actuellement à une renaissance de la recherche sur les atomes de Rydberg. L’informatique quantique avec des atomes neutres, qui figure en bonne place dans nos publications récentes, est sur le point d’influencer de manière significative le domaine dans les années à venir. Remarquablement, la progéniture du laser, les pinces optiques [7,8], sont devenues un outil omniprésent qui a permis de nombreuses percées dans ce domaine. Nous avons mis en évidence des techniques d’assemblage de réseaux d’atomes [9], une architecture permettant de construire efficacement un ordinateur quantique à grande échelle tolérant aux pannes [10], et des stratégies permettant d’atteindre des performances record [11]. L’ensemble de ces résultats montre une voie convaincante pour l’avenir.

Les qubits supraconducteurs [12], pierre angulaire de nombreuses architectures d’informatique quantique, sont apparus comme un système alternatif qui s’inspirait fortement des succès de la QED en cavité avec les systèmes atomiques. Ils offrent une vitesse et une praticité supérieures grâce à leur intégration dans l’électronique standard à micro-ondes. Alors que les transmons restent le paradigme dominant pour les qubits supraconducteurs, un cousin apparenté, le qubit de fluxonium, suscite un intérêt croissant. Avec sa cohérence exceptionnelle et son anharmonicité élevée, offrant une plus grande flexibilité dans la conception des circuits, le fluxonium est très prometteur. Nous prévoyons des développements passionnants dans ce domaine [13,14].

Le paysage quantique est vaste, offrant un terrain de jeu de plateformes et de systèmes physiques pour explorer des questions fondamentales ou poursuivre des applications spécifiques. Bien qu’il soit impossible de couvrir toutes ces voies, l’article du professeur Haroche nous a incités à mettre en lumière les dernières avancées en matière de photonique intégrée [15], étant donné le rôle central de l’optique dans la recherche quantique. Après tout, les photons ont permis la violation des inégalités de Bell, illustrant l’une des caractéristiques les plus distinctives de la mécanique quantique [16–18]. De même, le refroidissement et le piégeage optiques ont conduit à certaines des démonstrations les plus frappantes des principes statistiques quantiques, notamment l’émergence des condensats de Bose-Einstein [19,20]. Nous n’avons pas pu résister à l’envie de vous présenter les derniers développements en matière de chimie quantique contrôlée avec des molécules polaires ultrafroides [21].

Au cours des décennies précédentes, l’accent a été mis sur le contrôle des systèmes quantiques individuels. Aujourd’hui, les défis consistent à gérer les interactions, à augmenter la taille des systèmes et à vérifier l’état des grands systèmes ou opérations quantiques. Une autre tendance observée dans notre journal est le développement d’outils théoriques pour une tomographie efficace [22], et des explorations sur la meilleure façon de réunir le traitement quantique et l’apprentissage automatique dans le cadre de théories informatiques formalisées [23].

Plusieurs questions fondamentales subsistent quant aux ingrédients clés et au mélange adéquat nécessaires pour qu’un processeur soit véritablement quantique ou, à l’inverse, qu’il puisse être efficacement simulé de manière classique [24]. Notre revue se penche sur le flot continu d’algorithmes innovants, de choix architecturaux intelligents et de techniques hybrides qui font progresser régulièrement l’objectif global de l’informatique quantique tolérante aux pannes. Les circuits quantiques adaptatifs en sont un exemple. En tirant parti des mesures et de la rétroaction à mi-circuit, une approche prometteuse montre comment préparer efficacement des états intriqués à plusieurs corps, même sur du matériel à faible profondeur et à court terme [25].

La correction d’erreurs joue un rôle central dans le renforcement de la confiance de la communauté quantique dans la faisabilité de la construction d’une machine quantique à grande échelle [26,27]. Son histoire est tout aussi fascinante qu’elle a été décisive pour stimuler l’investissement mondial dans la science et la technologie quantiques. La recherche dans ce domaine en pleine évolution couvre un large spectre, allant de la conception de codes hautement mathématiques et abstraits à des solutions intégrées dans le matériel et axées sur l’ingénierie. Pour donner un petit aperçu des développements récents, nous mettons en lumière trois contributions exceptionnelles : une implémentation ingénieuse du code de Steane sur des pièges à ions [28]; un protocole qui simplifie l’implémentation des codes de contrôle de parité à faible densité (LDPC) [29]- une alternative économe en ressources aux codes de surface ; et une étude fondamentale qui s’inspire de la correction topologique des erreurs pour approfondir notre compréhension des phases de la matière [30].

Comme Shannon l’a souligné depuis longtemps, les concepts clés de la théorie de l’information sont profondément liés à des notions de thermodynamique, telles que l’entropie. Le lien entre ces domaines – et le rôle de la connaissance en thermodynamique – a une riche histoire [31], dont un exemple notable est la résolution du paradoxe du démon de Maxwell [32]. En même temps, la mécanique quantique est fondamentalement une science de l’information. Nous ne pouvions conclure cette collection sans souligner les idées fascinantes qui émergent à l’intersection de ces disciplines. Les progrès récents de la thermodynamique quantique renforcent encore ce lien, en associant des concepts de complexité informatique à l’étude du coût des opérations thermiques [33]. Ces coûts ont de profondes implications pour les technologies quantiques [34] et sont également liés à des limites de précision fondamentales, comme le démontre une nouvelle méthodologie qui examine les compromis dans les systèmes quantiques ouverts markoviens sans équilibre [35].

De nombreuses découvertes naissent de liens inattendus. Nous espérons que cette collection suscitera l’inspiration et la réflexion, que ce soit par les méthodes expérimentales et théoriques qu’elle présente ou par les idées conceptuelles qu’elle avance. Cette collection n’est qu’un aperçu des recherches les plus intéressantes publiées dans nos pages au cours des derniers mois. La portée de PRX Quantum et de la recherche quantique s’étend bien au-delà de ce que nous pourrions inclure ici. La forêt de la science quantique est composée de nombreux arbres et il y a beaucoup de fruits à récolter dans ses diverses branches, telles que les capteurs quantiques, la métrologie et les communications, que nous laisserons pour de futures mises en lumière. Nous attendons avec impatience les percées que vous ferez dans ces domaines et dans d’autres, qui façonneront la prochaine décennie de la science et de la technologie quantiques.

Références (35)

1. Parmi les nombreux tests, la linéarité même des équations de Shrödinger a été vérifiée expérimentalement, comme indiqué ici : J. J. Bollinger, D. J. Heinzen, Wayne M. Itano, S. L. Gilbert, et D. J. Wineland, Test of the linearity of quantum mechanics by rf spectroscopy of the 9Be+ ground state, Phys. Rev. Lett. 63, 1031 (1989) .
2. Serge Haroche, conférence Nobel : Contrôler les photons dans une boîte et explorer la frontière entre le quantique et le classique, Rev. Mod. Phys. 85, 1083 (2013) .
3. David J. Wineland, Conférence Nobel : La superposition, l’enchevêtrement et l’élévation du chat de Schrödinger, Rev. Mod. Phys. 85, 1103 (2013) .
4. Ivan H. Deutsch, « Harnessing the power of the second quantum revolution », PRX Quantum 1, 020101 (2020).
5. Consultez une collection de jalons quantiques publiés par Physics Magazine tout au long de l’année 2025, ainsi qu’une collection à venir sur les fondations quantiques organisée par les revues Physical Review.
6. S. Haroche, Laser, offspring and powerful enabler of quantum science, PRX Quantum 6, 010102 (2025).
7. A. Ashkin, Acceleration and trapping of particles by radiation pressure, Phys. Rev. Lett. 24, 156 (1970) .
8. A. Ashkin, J. M. Dziedzic, J. E. Bjorkholm, et Steven Chu, Observation of a single-beam gradient force optical trap for dielectric particles, Opt. Lett. 11, 288 (1986) .
9. M. A. Norcia, H. Kim, W. B. Cairncross, M. Stone, A. Ryou, M. Jaffe, M. O. Brown, K. Barnes, P. Battaglino, T. C. Bohdanowicz et al, Iterative Assembly of 171Yb Atom Arrays with Cavity-Enhanced Optical Lattices, PRX Quantum 5, 030316 (2024).
10. Yiyi Li et Jeff D. Thompson, High-rate and high-fidelity modular interconnects between neutral atom quantum processors, PRX Quantum 5, 020363 (2024).
11. R. B.-S. Tsai, X. Sun, A. L. Shaw, R. Finkelstein, et M. Endres, Benchmarking and fidelity response theory of high-fidelity Rydberg entangling gates, PRX Quantum 6, 010331 (2025).
12. Jens Koch, Terri M. Yu, Jay Gambetta, A. A. Houck, D. I. Schuster, J. Majer, Alexandre Blais, M. H. Devoret, S. M. Girvin, et R. J. Schoelkopf, Charge-insensitive qubit design derived from the Cooper pair box, Phys. Rev. A 76, 042319 (2007) .
13. Helin Zhang, Chunyang Ding, D. K. Weiss, Ziwen Huang, Yuwei Ma, Charles Guinn, Sara Sussman, Sai Pavan Chitta, Danyang Chen, Andrew A. Houck, Jens Koch, et David I. Schuster, Tunable inductive coupler for high-fidelity gates between fluxonium qubits, PRX Quantum 5, 020326 (2024).
14. Wei-Ju Lin, Hyunheung Cho, Yinqi Chen, Maxim G. Vavilov, Chen Wang, et Vladimir E. Manucharyan, 24 days-stable CNOT gate on fluxonium qubits with over 99.9% fidelity, PRX Quantum 6, 010349 (2025).
15. Y. Pang, J. E. Castro, T. J. Steiner, L. Duan, N. Tagliavacche, M. Borghi, L. Thiel, N. Lewis, J. E. Bowers, M. Liscidini et G. Moody, Versatile chip-scale platform for high-rate entanglement generation using an AlGaAs microresonator array, PRX Quantum 6, 010338 (2025).
16. N. David Mermin, Is the Moon there when nobody looks ? La réalité et la théorie quantique, Phys. Today 78, 28 (2025) .
17. Nicolas Brunner, Daniel Cavalcanti, Stefano Pironio, Valerio Scarani, et Stephanie Wehner, Bell nonlocality, Rev. Mod. Phys. 86, 419 (2014) .
18. Contexte scientifique du prix Nobel de physique 2022, « POUR LES EXPÉRIENCES AVEC LES PHOTONS ENTANGULÉS, ÉTABLISSANT LA VIOLATION DES INÉQUALITÉS DE BELL ET PIONNANT LA SCIENCE DE L’INFORMATION QUANTUM » Informations avancées. NobelPrize.org. Nobel Prize Outreach (2025). https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2022/advanced-information/.
19. E. A. Cornell et C. E. Wieman, Conférence Nobel : Condensation de Bose-Einstein dans un gaz dilué, les 70 premières années et quelques expériences récentes, Rev. Mod. Phys. 74, 875 (2002) .
20. Wolfgang Ketterle, conférence Nobel : Quand les atomes se comportent comme des ondes : La condensation de Bose-Einstein et le laser atomique, Rev. Mod. Phys. 74, 1131 (2002) .
21. S. Finelli, A. Ciamei, B. Restivo, M. Schemmer, A. Cosco, M. Inguscio, A. Trenkwalder, K. Zaremba-Kopczyk, M. Gronowski, M. Tomza, et M. Zaccanti, Ultracold LiCr : A new pathway to quantum gases of paramagnetic polar molecules, PRX Quantum 5, 020358 (2024).
22. R. King, D. Gosset, R. Kothari, et R. Babbush, Triply efficient shadow tomography, PRX Quantum 6, 010336 (2025).
23. Haimeng Zhao, Laura Lewis, Ishaan Kannan, Yihui Quek, Hsin-Yuan Huang, et Matthias C. Caro, Learning quantum states and unitaries of bounded gate complexity, PRX Quantum 5, 040306 (2024).
24. Yifan Zhang et Yuxuan Zhang, Classical simulability of quantum circuits with shallow magic depth, PRX Quantum 6, 010337 (2025).
25. Kevin C. Smith, Abid Khan, Bryan K. Clark, S. M. Girvin, et Tzu-Chieh Wei, Constant-depth preparation of matrix product states with adaptive quantum circuits, PRX Quantum 5, 030344 (2024).
26. Peter W. Shor, Scheme for reducing decoherence in quantum computer memory, Phys. Rev. A 52, R2493 (1995) .
27. Andrew Steane, Interférence de particules multiples et correction d’erreur quantique, Proc. R. Soc. Lond. A 452, 2551 (1996) .
28. Lukas Postler, Friederike Butt, Ivan Pogorelov, Christian D. Marciniak, Sascha Heußen, Rainer Blatt, Philipp Schindler, Manuel Rispler, Markus Müller et Thomas Monz, Demonstration of fault-tolerant steane quantum error correction, PRX Quantum 5, 030326 (2024).
29. Noah Berthusen, Dhruv Devulapalli, Eddie Schoute, Andrew M. Childs, Michael J. Gullans, Alexey V. Gorshkov, et Daniel Gottesman, Toward a 2D local implementation of quantum low-density parity-check codes, PRX Quantum 6, 010306 (2025).
30. Yaodong Li, Nicholas O’Dea, et Vedika Khemani, Perturbative stability and error-correction thresholds of quantum codes, PRX Quantum 6, 010327 (2025).
31. A. Bérut, A. Arakelyan, A. Petrosyan, Sergio Ciliberto, Raoul Dillenschneider, et Eric Lutz, Experimental verification of Landauer’s principle linking information and thermodynamics, Nature 483, 187 (2012).
32. Koji Maruyama, Franco Nori, et Vlatko Vedral, Colloque : La physique du démon de Maxwell et de l’information, Rev. mod. .
33. A. Munson, N. B. T. Kothakonda, J. Haferkamp, N. Yunger Halpern, J. Eisert, et P. Faist, Complexity-constrained quantum thermodynamics, PRX Quantum 6, 010346 (2025).
34. Alexia Auffèves, « Quantum technologies need a quantum energy initiative », PRX Quantum 3, 020101 (2022).
35. Tan Van Vu, Fundamental bounds on precision and response for quantum trajectory observables, PRX Quantum 6, 010343 (2025).

Cet article a été publié sur le site web de l’APS Physical Review Journals.