Une nouvelle technologie pourrait mettre des ordinateurs quantiques plus puissants à portée de main

Des chercheurs australiens pensent avoir résolu un problème vieux de plusieurs décennies qui pourrait éventuellement conduire au développement d’ordinateurs quantiques plus gros et plus utiles.

L’informatique quantique a la capacité de résoudre des problèmes spécifiques des millions de fois plus rapidement que les ordinateurs conventionnels.

Mais malgré des milliards de dollars d’investissement, il est resté insaisissable.

Dans une recherche publiée aujourd’hui dans progrès scientifiqueL’équipe de chercheurs de l’Université de Nouvelle-Galles du Sud a proposé une nouvelle façon de contrôler des millions de qubits, les éléments constitutifs des ordinateurs quantiques.

Les plus grands ordinateurs quantiques d’aujourd’hui ne contiennent que quelques dizaines de qubits, mais il faudra des millions de qubits pour développer de nouveaux produits pharmaceutiques ou construire des modèles climatiques plus précis.

Faire obstacle a toujours été le problème de savoir comment contrôler des millions de qubits à la fois sans rendre la puce quantique miniature trop encombrée ou trop chaude.

Connu sous le nom de problème de « domination mondiale », il a été identifié à la fin des années 1990 et est resté dans le panier « non résolu » pendant deux décennies.

Mais un jour, à la mi-2019, un jeune chercheur, Jared Pla, est entré dans le bureau du professeur Andrew Dzurac, l’un des principaux chercheurs du pays en informatique quantique, avec une idée de la façon d’utiliser les champs magnétiques pour contrôler les qubits.

« Je me souviens quand Jared est entré dans le bureau et m’a parlé de l’idée », a déclaré le professeur Dzurak.

« Je me suis dit : ‘Oh mon Dieu, si ça marche, ça résoudra tous nos problèmes.' »

« Et elle. »

Problème trop serré et trop froid

Avant d’arriver à l’idée du Dr Pla, nous devons comprendre pourquoi la chaleur est le plus grand ennemi des ordinateurs quantiques.

Les qubits sont très petits et étranges – les ordinateurs traditionnels stockent les informations sous forme de zéros ou de uns, mais dans un ordinateur quantique, les qubits peuvent être deux nombres en même temps.

Cette capacité, connue sous le nom de superposition, signifie que les ordinateurs quantiques ont la capacité d’effectuer plusieurs calculs simultanément.

Mais il y a un problème. Pour conserver leurs capacités quantiques, les qubits doivent être maintenus extrêmement froids.

« Il fait incroyablement froid », a déclaré Andrew Doherty, physicien quantique à l’Université de Sydney, qui n’était pas impliqué dans la recherche.

« C’est comme 20 degrés Celsius dans l’espace », a déclaré le professeur Doherty.

De nombreuses technologies d’informatique quantique fonctionnent à environ 0,1 K, ou juste au-dessus du zéro absolu – qui est de -273,15 degrés Celsius.

Ordinateur quantique.
Photo: 123rf

Les puces quantiques doivent fonctionner à l’intérieur de réfrigérateurs à atténuation ultra-froide, où les isotopes d’hélium liquide sont pompés à travers un système de tubes un peu comme un lustre inversé ou un nid d’oiseau.

C’est la partie facile.

Pour être utiles au calcul, les qubits doivent également être contrôlés.

Cela se fait souvent en introduisant un courant à travers un fil à proximité d’un qubit pour créer un champ magnétique qui contrôle sa rotation.

Le professeur Dzurac montre que le sens de rotation est équivalent à zéro ou à un en code binaire.

« Vous pouvez considérer une rotation vers le bas comme un zéro et une rotation vers le haut comme un », a-t-il déclaré.

Ces fils de commande transfèrent la chaleur. Au fur et à mesure que plus de qubits sont installés, plus de fils sont nécessaires pour les contrôler, et la tâche de garder les qubits au frais devient plus difficile.

« Vous ne pouvez pas contrôler des millions de qubits, c’est ce que vous devrez faire pour résoudre ces problèmes importants et importants », a déclaré le professeur Dzurak.

Ensuite, il y a le problème de l’immobilier : en plus de rester cool, les qubits doivent être rapprochés les uns des autres pour conserver leurs propriétés quantiques.

Dans certains modes de réalisation, ils sont séparés de 100 nanomètres, ou d’un dixième de micron. Un cheveu humain a une épaisseur d’environ 70 microns.

Les fils de commande occupent un espace précieux sur une petite puce quantique qui doit également contenir des millions de qubits.

Contrôler quatre millions de qubits à la fois

Pour contourner ces problèmes, le Dr Bla a eu l’idée de se débarrasser complètement des fils et de les remplacer par un champ magnétique au-dessus de la puce qui peut gérer tous les qubits à la fois.

Entrez ce qu’on appelle un « résonateur diélectrique ».

Bien qu’elles puissent ressembler au cœur d’une machine à remonter le temps, elles sont en fait un équipement standard – en tant qu’antennes hyperfréquences, elles sont utilisées dans les téléphones portables pour transmettre des signaux haute fréquence.

Le prisme mis au point par les chercheurs est un prisme cristallin fait de tantalate de potassium, ce qui lui permet de fonctionner à très basse température.

« C’est essentiellement un petit cristal translucide », a déclaré le Dr Bella.

Le cristal est poli avec des micro-ondes, qui se plient et rebondissent.

Ce faisant, ils génèrent un champ magnétique qui est émis depuis le fond du cristal dans un plan plat et uniforme.

Les chercheurs ont découvert que le champ généré par le résonateur peut contrôler une région pouvant accueillir quatre millions de qubits. Assez pour la domination mondiale.

De plus, ils constatent qu’il faut relativement peu d’énergie pour former le champ magnétique, ce qui, surtout, signifie qu’il n’y a pas beaucoup de chaleur impliquée.

« L’élégance de la conception de Jared réside essentiellement dans le fait qu’il a pris tous les fils micro-ondes de la puce et les a placés dessus », a déclaré le professeur Dzurak.

puce de processeur quantique
Photo: Wikimedia Commons

Prometteur mais juste « le début de l’histoire »

David Riley, physicien expérimental et directeur du Quantum Computing Laboratory de l’Université de Sydney, n’était pas impliqué dans la recherche, mais a déclaré que les résultats étaient « très excitants ».

« C’est un développement important qui résout un problème troublant qui préoccupe de nombreux chercheurs », a-t-il déclaré.

Le professeur Doherty a déclaré que la solution était « une approche prometteuse d’un problème important ».

« C’est une grande science avec d’excellents résultats », a-t-il déclaré.

Bien que prometteurs, le professeur Doherty a déclaré que les résultats étaient préliminaires et qu’il restait encore un long chemin à parcourir avant que le contrôle mondial ne soit définitivement établi.

« Ils ont à peu près un qubit assis sous un champ magnétique », a-t-il déclaré.

« Ce qu’ils ne montrent pas, c’est qu’ils n’ont pas un million de qubits. »

Un autre défi est la fabrication en série de qubits.

« Pour obtenir un million sur une puce, les qubits ne doivent pas être quelque chose de pratique mais fabriqués en série », a déclaré le professeur Doherty.

« Cela va être très difficile. »

A quelle distance sommes-nous de voir un ordinateur quantique ?

Alors que la réalité de l’informatique quantique est encore loin, le professeur Doherty, qui vient de rentrer d’un travail de deux ans avec la société d’informatique quantique de la Silicon Valley PsiQuantum, est convaincu que nous y arriverons.

« Il y a vingt-cinq ans », a-t-il déclaré, « je dirais qu’il faudrait 50 ans avant que nous ayons un ordinateur quantique. Maintenant, je pense que nous n’aurons peut-être pas besoin de ces 50 ans. »

Il a dit qu’il était encouragé par le montant d’argent dépensé pour la recherche en informatique quantique.

En 2020, les investisseurs ont investi 557,5 millions de dollars dans 28 accords d’investissement pour des sociétés d’informatique quantique aux États-Unis et au Canada ; C’est plus de trois fois le montant dépensé en 2019.

En juillet de cette année, PsiQuantum, co-fondé par deux Australiens, a levé près de 450 millions de dollars de financement pour construire ce qu’il prétend être le premier ordinateur quantique commercialement viable au monde.

Le professeur Doherty a déclaré: « La solution de l’équipe de l’UNSW à la domination mondiale ‘est le début d’une histoire, pas la fin d’une’. »

« Je suis très désireux de voir où va la recherche. »

-ABC