Des chercheurs australiens pensent avoir résolu un problème vieux de plusieurs décennies qui pourrait finalement conduire au développement d’ordinateurs quantiques plus grands et plus utiles.
L’informatique quantique a le potentiel de résoudre certains problèmes des millions de fois plus rapidement que les ordinateurs conventionnels.
Dans une recherche publiée aujourd’hui dans Science Advances, l’équipe de chercheurs de l’Université de Nouvelle-Galles du Sud a proposé une nouvelle façon de contrôler des millions de qubits, qui sont les éléments constitutifs des ordinateurs quantiques.
Les plus grands ordinateurs quantiques actuels n’ont que quelques dizaines de qubits, mais il faudra des millions de qubits pour développer de nouveaux médicaments pharmaceutiques ou construire des modèles climatiques plus précis.
Historiquement, le problème était de savoir comment contrôler des millions de qubits à la fois sans rendre la puce quantique de la taille d’une vignette trop encombrée ou trop chaude.
Connu comme le problème de la réalisation du « contrôle mondial », 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, Jarryd Pla, un jeune chercheur, est entré dans le bureau du professeur Andrew Dzurak, l’un des principaux chercheurs en informatique quantique du pays, avec une idée sur la façon d’utiliser les champs magnétiques pour contrôler les qubits.
« Je me souviens quand Jarryd 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 cela fonctionne, cela résoudra tous nos problèmes ».
Avant d’arriver à l’idée du Dr Pla, nous devons comprendre pourquoi la chaleur est le 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 les 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 à la fois.
Mais, il y a un hic. Pour conserver leurs capacités quantiques, les qubits doivent être maintenus très froids.
« Il fait incroyablement froid », a déclaré Andrew Doherty, physicien quantique à l’Université de Sydney, qui n’a pas participé à la recherche.
De nombreuses technologies d’informatique quantique fonctionnent à environ 0,1 Kelvin, ou juste au-dessus du zéro absolu, qui est de -273,15 degrés Celsius.
Les puces quantiques doivent fonctionner dans de vastes réfrigérateurs à dilution cryogénique, dans lesquels des isotopes d’hélium liquide sont pompés à travers un système de tubes qui ressemblent un peu à un lustre ou à un nid d’oiseau à l’envers.
Cela se fait souvent en mettant un courant à travers un fil à proximité du qubit pour créer un champ magnétique qui contrôle son spin.
La direction de la rotation équivaut à un zéro ou un un dans un code binaire, a expliqué le professeur Dzurak.
« Vous pouvez considérer le spin down comme un zéro et le spin up 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, ce que vous devrez faire pour résoudre ces gros problèmes importants », a déclaré le professeur Dzurak.
Ensuite, il y a le problème de l’immobilier : en plus d’être conservés au froid, les qubits doivent être emballés les uns contre les autres pour conserver leurs propriétés quantiques.
Dans certains modèles, ils sont séparés de 100 nanomètres, soit un dixième de micron. Un cheveu humain a une épaisseur d’environ 70 microns.
Les fils de contrôle occupent un espace précieux sur une puce quantique de la taille d’une vignette qui doit également contenir des millions de qubits.
Pour contourner ces problèmes, le Dr Pla 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 manipuler tous les qubits simultanément.
Bien que cela puisse ressembler au cœur d’une machine à remonter le temps, il s’agit en fait d’un équipement assez standard – en tant qu’antenne pour les fréquences micro-ondes, il est utilisé dans les téléphones portables pour envoyer des signaux haute fréquence.
Celui développé par les chercheurs est un prisme de cristal en tantalate de potassium, qui lui permet de fonctionner à très basse température.
Ce faisant, ils génèrent un champ magnétique qui émane du fond du cristal dans un plan plat et uniforme.
Les chercheurs ont découvert que le champ généré par le résonateur pouvait contrôler une zone pouvant potentiellement contenir quatre millions de qubits ; suffisant pour un contrôle global.
De plus, ils ont découvert qu’il faut relativement peu d’énergie pour créer le champ magnétique, ce qui signifie, surtout, pas trop de chaleur.
« L’élégance du design de Jarryd réside essentiellement dans le fait qu’il a retiré tout ce câblage micro-ondes de la puce, et qu’il le place juste au-dessus », a déclaré le professeur Dzurak.
David Reilly, physicien expérimental et directeur du laboratoire d’informatique quantique de l’Université de Sydney n’était pas impliqué dans la recherche, mais a déclaré que les résultats étaient « très intéressants ».
« C’est un développement important qui résout un problème épineux qui préoccupe de nombreux chercheurs », a-t-il déclaré.
Bien que prometteurs, le professeur Doherty a déclaré que les résultats étaient préliminaires et qu’il y avait encore un long chemin à parcourir avant de prouver définitivement le contrôle mondial.
« Pour obtenir un million sur une puce, les qubits ne doivent pas être faits à la main mais une fabrication à grande échelle », a déclaré le professeur Doherty.
Alors que la réalité de l’informatique quantique est encore loin, le professeur Doherty, qui est récemment revenu d’un séjour 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, j’avais l’habitude de dire qu’il faudra 50 ans avant que nous ayons un ordinateur quantique. Maintenant, je pense que nous n’avons peut-être pas besoin de ces 50 ans », a-t-il déclaré.
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 américains dans 28 accords de capital-risque pour des sociétés d’informatique quantique basées 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 américains pour construire ce qu’il prétend être le premier ordinateur quantique commercialement viable au monde.
« La solution de l’équipe de l’UNSW au contrôle mondial » est le début d’une histoire plutôt que la fin d’une », a déclaré le professeur Doherty.
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