L’informatique quantique est le type de technologie qu’il est difficile de survendre, avec le potentiel d’effectuer des calculs en une seule étape qui prendraient à un ordinateur traditionnel des centaines de milliers d’années.
Le problème est que la même faille dans la physique qui donne à l’informatique quantique sa puissance incroyable le rend également presque impossible à contrôler de manière fiable – mais les chercheurs disent que cela pourrait être sur le point de changer, et des puces quantiques à grande échelle capables enfin de tenir la promesse du quantum l’informatique pourrait être là bien plus tôt que prévu.
Nouvelle recherche publiée dans Avancées scientifiques le 13 août, affirme qu’une nouvelle technique pourrait donner aux ingénieurs en informatique quantique un moyen de contrôler de manière fiable non seulement des dizaines ou quelques centaines de qubits, mais des millions, éliminant ainsi l’un des plus grands obstacles qui ont empêché l’informatique quantique d’être commercialement pratique.
Le problème avec les qubits est qu’ils reposent sur un phénomène de la mécanique quantique connu sous le nom de superposition, qui permet à une particule subatomique d’avoir deux propriétés mutuellement exclusives (comme le spin d’un électron) en même temps.
Les ingénieurs en informatique quantique utilisent cette superposition pour représenter les uns et les zéros qui sont à la base de la technologie numérique – le bit – mais à cause de la superposition, un qubit peut être à la fois un et zéro (ce qui en fait un bit quantique, ou qubit pour faire court).
Cela permet à un ordinateur quantique d’effectuer des calculs d’une complexité insondable qui prendraient un milliard d’années à un processeur Intel Rocket Lake à effectuer en une seule fois en calculant tous les résultats possibles. simultanément.
Le problème est qu’au moment où vous « regardez » un qubit, sa superposition s’effondre dans un état défini et il devient simplement un vieux bit, et l’incroyable puissance de calcul des qubits est perdue.
Cela rend un contrôle efficace sur eux pour effectuer des calculs incroyablement difficile, nécessitant toutes sortes d’équipements pour bloquer les interférences extérieures et maintenir les qubits aussi proches que possible du zéro absolu afin qu’ils restent pour la plupart immobiles et ne se heurtent pas, ce qui compte comme « regarder » en termes de mécanique quantique.
Cela a paralysé les ingénieurs qui ont eu du mal à contrôler des dizaines, des centaines ou tout au plus quelques milliers de qubits de manière fiable, mais maintenant, des chercheurs de l’Université de Nouvelle-Galles du Sud (UNSW) disent avoir résolu le problème du contrôle des qubits, déverrouillant potentiellement la puissance de l’informatique quantique pour nos problèmes les plus urgents du monde réel comme la recherche médicale, les prévisions climatiques et bien plus encore.
« Jusqu’à ce point, le contrôle des qubits de spin des électrons reposait sur la fourniture de champs magnétiques micro-ondes en faisant passer un courant dans un fil juste à côté du qubit », a déclaré le Dr Jarryd Pla, membre du corps professoral de l’UNSW School of Electrical Engineering and Telecommunications. « Ceci pose de réels défis si nous voulons atteindre les millions de qubits dont un ordinateur quantique aura besoin pour résoudre des problèmes d’importance mondiale, tels que la conception de nouveaux vaccins. »
Le problème est que pour ajouter plus de qubits, vous devez ajouter plus de fils pour générer le champ magnétique nécessaire pour les contrôler. Les fils génèrent de la chaleur, cependant, et trop de chaleur peut provoquer l’effondrement des qubits en bits, donc jeter plus de fils dans un processeur quantique ne fonctionnera tout simplement pas.
La solution du chercheur à ce problème consistait à retirer complètement les fils et à appliquer les champs de contrôle magnétique au-dessus de la puce quantique à l’aide d’un prisme à cristal appelé résonateur diélectrique qui vous permet de contrôler tous les qubits en même temps.
« Nous avons d’abord retiré le fil à côté des qubits, puis nous avons trouvé un nouveau moyen de fournir des champs de contrôle magnétiques à micro-ondes à travers l’ensemble du système », a déclaré le Dr Pla. « Donc, en principe, nous pourrions fournir des champs de contrôle jusqu’à quatre millions de qubits. »
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Faire de l’informatique quantique à grande échelle une réalité
« J’ai été complètement époustouflé quand [Dr. Pla] m’est venu avec sa nouvelle idée », a déclaré le professeur Andrew Dzurak, un collègue ingénieur du Dr Pla à l’UNSW qui avait passé des années à travailler sur la mise en œuvre de la logique quantique sur des puces de silicium. « Nous nous sommes immédiatement mis au travail pour voir comment nous pourrions l’intégrer aux puces qubit que mon équipe a développées. »
« Nous étions ravis lorsque l’expérience s’est avérée fructueuse », a-t-il ajouté. « Ce problème de contrôle de millions de qubits m’inquiétait depuis longtemps, car il s’agissait d’un obstacle majeur à la construction d’un ordinateur quantique à grande échelle. »
Bien que cette recherche puisse s’avérer être une étape critique vers une informatique quantique généralisée et à grande échelle, il reste encore beaucoup de travail à faire. L’un des défis à surmonter est que même si un ordinateur quantique peut calculer autant de résultats que le nombre de qubits le permet, la lecture de la réponse que vous voulez à partir de ces mêmes qubits provoque la même décohérence quantique que la chaleur ou d’autres interférences. Ainsi, même si un ordinateur quantique a calculé tous les résultats possibles, vous ne pouvez accéder qu’à l’un d’entre eux à la fin.
« L’astuce consiste à concevoir intelligemment votre algorithme de manière à ce que la bonne réponse que vous recherchez se révèle à la fin du calcul, en utilisant toujours le parallélisme », a déclaré le Dr Pla à TechRadar par e-mail. « C’est pourquoi un ordinateur quantique ne peut effectuer que des tâches sélectionnées plus rapidement [than classical computers] (comme la factorisation de grands nombres premiers composites, la recherche de bases de données non triées, etc.), car il est difficile de concevoir des algorithmes aussi intelligents – cependant, les gens s’améliorent et des exemples plus utiles émergent presque quotidiennement. «
D’autres défis d’ingénierie doivent également être relevés, tels que le raffinement de la correction d’erreurs afin que moins de qubits soient nécessaires pour construire des circuits quantiques.
« Il est très important de noter la différence entre un « qubit physique » (c’est-à-dire dans notre cas un seul spin d’électron) et un « qubit logique » », nous a expliqué le Dr Pla. « Si tous vos qubits physiques pouvaient être contrôlés et mesurés avec une précision infinie (aucune erreur du tout), alors vous auriez un ordinateur quantique de 4 millions de qubits qui pourrait à peu près résoudre tous les problèmes auxquels nous pourrions penser en ce moment.
« Cependant, les qubits ont des erreurs et ces erreurs se développent très rapidement dans un circuit quantique. Vous devez donc mettre en œuvre une certaine forme de correction d’erreurs où les qubits sont codés en groupes de qubits (c’est ce qu’on appelle la correction d’erreurs quantiques). Les groupes de qubits protégés contre les erreurs sont appelés qubits logiques.Le nombre de qubits dont vous avez besoin dans les groupes dépend beaucoup du système, c’est-à-dire de la qualité de la connexion des qubits et des taux d’erreur réels.
« Donc, par exemple, nous pouvons avoir besoin de quelque part de l’ordre de 1000 qubits physiques pour produire un qubit logique utile qui peut être utilisé dans les calculs. Cela ramène le compte de 4 millions à 4000 – ce qui est toujours très utile. À ce niveau, vous pouvez casser les cryptages de nombres 2048 bits et simuler des processus chimiques complexes, élucider les structures des protéines, etc.
Eh bien, c’est un début, et nous n’aurions pas l’ère de l’information moderne sans d’abord produire l’ENIAC de la taille d’une pièce, mais j’espère que nous n’aurons pas beaucoup plus de temps à attendre pour voir le potentiel de l’informatique quantique se réaliser.
