Une vue d'un des dispositifs utilisés dans les recherches sur les ordinateurs quantiques basés sur des pièges à ions. © Y. Colombe, NIST

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L'ordinateur quantique du futur pourrait être radioactif

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Pour réaliser les ordinateurs quantiques, la piste des puces à pièges d'ions est prometteuse. Léger inconvénient : ces ions, porteurs des qubits, seront peut-être radioactifs.

  • Les qubits des futurs ordinateurs quantiques devront être faciles à fabriquer et résister à la décohérence.
  • L'une des voies prometteuses repose sur les pièges à ions.
  • L'un des derniers résultats intéressants fait usage d'un isotope radioactif du baryum.

Interview : en quoi un ordinateur quantique est-il différent ?  Le monde quantique est fascinant : à cette échelle, par exemple, les objets peuvent se trouver simultanément dans plusieurs états. Exploitant ce principe, un ordinateur quantique aurait des possibilités bien plus vastes qu’un modèle classique. Dans le cadre de sa série de vidéos Questions d’experts, sur la physique et l’astrophysique, l’éditeur De Boeck a interrogé Claude Aslangul, professeur à l’UPMC, afin qu'il nous explique le fonctionnement de cette étrange machine. 

Deux conditions essentielles doivent être réunies pour faire passer la révolution des ordinateurs quantiques du rêve à la réalité : obtenir un très grand nombre de qubits, les bits quantiques d’information, et les protéger efficacement contre le phénomène de décohérence. Si la première n'est pas obtenue, les ordinateurs classiques conserveront leur suprématie. Quant à la seconde, elle rend possible l'exécution d'un algorithme quantique, comme celui de Shor, en garantissant un maintien suffisamment long de la superposition quantique des états.

Cela suppose d'isoler suffisamment une puce quantique du bruit créé par son environnement ou de trouver le moyen qu'elle y résiste (par exemple avec des ordinateurs « topologiques »). Une troisième voie est d'utiliser des codes correcteurs pour réduire les erreurs causées par ce bruit. La solution finale, si solution il y a, sera sans doute une combinaison de toutes ces techniques.

Le prix Nobel de physique David Wineland explique en quoi consiste l'une des voies explorées pour réaliser des ordinateurs quantiques, celle des pièges à ions. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur l'écrou à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © Institute for Quantum Computing

Des qubits portés par des noyaux radioactifs résistants à la décohérence

Différentes approches sont explorées pour résoudre le problème de la décohérence en utilisant par exemple des circuits supraconducteurs ou des qubits portés par des noyaux au sein de cristaux de diamant. Chacune a ses qualités et ses inconvénients. Pour manipuler un grand nombre de qubits, on doit également s'assurer que les techniques de fabrication des éléments des ordinateurs quantiques qui fonctionnent à petite échelle continuent de pouvoir être mises en oeuvre facilement à plus grand échelle.

L'une des voies les plus intéressantes est celle des pièges à ions portant des qubits. Au moyen de d'impulsions laser, ils peuvent être manipulés pour y écrire et lire des informations et permettre l'exécution des opérations de calcul. Une équipe de chercheurs états-uniens vient justement de publier sur arXiv un article au sujet d'un système intéressant avec des ions de baryum. On peut en effet facilement les refroidir à basse température avec un laser optique et les qubits portés par le spin des noyaux sont résistants au bruit magnétique. Ces deux avantages permettent de lutter efficacement contre la décohérence et de construire plus facilement des puces quantiques.

Toutefois, l'étude porte sur l'isotope 133 du baryum. Or, son noyau est instable, donc radioactif. de plus, sa durée de vie est courte puisque sa période radioactive (le temps qu'il faut pour que le nombre de noyaux dans un échantillon diminue de moitié par désintégration) est de 10,5 ans. Le baryum 133 n'existe donc pas à l'état naturel et il faut le fabriquer.

Cela a été fait et les chercheurs de l'université de Californie à Los Angeles ont réussi pour la première fois à refroidir et piéger des ions de baryum 133, ouvrant la voie à des ordinateurs quantiques utilisant cet élément. Peut-être que les ordinateurs du futur seront donc non seulement quantiques mais aussi radioactifs...

Pour en savoir plus

Ordinateur quantique : des diamants intriqués à température ambiante

Article de Laurent Sacco publié le 06/12/2011

Un groupe de physiciens vient de montrer qu'il est possible de produire des états intriqués avec deux diamants macroscopiques... à température ambiante ! Voila de quoi doper le moral de ceux qui pensent que malgré l'obstacle de la décohérence, un ordinateur quantique performant est réalisable et existe peut-être déjà, le cerveau humain.

Le concept d'ordinateur quantique, introduit il y a plusieurs décennies par Richard Feynman et d'autres chercheurs, continue de faire rêver. Il permettrait de briser les limites des ordinateurs classiques pour certains types de calculs. On sait faire de tels ordinateurs capables de manipuler non plus des bits mais bien des qubits d'informations. Leur fonctionnement repose sur le principe fondateur de la physique quantique, celui de la superposition des amplitudes de probabilités pour un état quantique, plus précisément, sur la notion d'intrication quantique.

Malheureusement, pour le moment, ces ordinateurs sont aisément battus par une calculatrice de poche. Pour vraiment inquiéter des superordinateurs comme le K japonais, il faudrait disposer d'un grand nombre de qubits.

Le problème est que cela implique que la taille d'un tel ordinateur, du moins la partie effectuant les calculs, s'approche des échelles macroscopiques. Or, comme le paradoxe du chat de Schrödinger le montre bien, c'est alors que le monde quantique laisse la place au monde classique à cause du phénomène de la décohérence.

Pour les ordinateurs quantiques existants, il faut déjà les refroidir à très basses températures pour les protéger du bruit thermique capable de détruire la fragile superposition des états et l'intrication quantique. Plus généralement, il faut isoler le plus possible un tel système de son environnement. L'obstacle est immense et il est bien possible que l'on soit en présence d'une voie sans issue.

Sir Roger Penrose, le grand mathématicien et physicien théoricien. © Jerry Bauer-Wikipédia

C'est pourquoi la majorité des chercheurs ne suivent pas Roger Penrose lorsque celui-ci propose que la conscience dans le cerveau humain repose sur des processus quantiques analogues à ceux des ordinateurs quantiques. Le cerveau humain serait trop chaud pour cela. Il y a pourtant eu quelques résultats qui, s'ils devaient résister à l'épreuve du temps, indiquent que de la cohérence quantique existe à température ambiante en biologie.

Dans ce contexte, l'article publié dans Sciencepar des chercheurs britanniques et leurs collègues est intéressant car, selon eux, ils sont parvenus à intriquer deux objets macroscopiques à température ambiante. Il s'agit de deux diamants de taille millimétrique séparés par 15 cm.

Cela fait un moment que l'on utilise le diamant dans des recherches sur l'information quantique. Ses caractéristiques laissaient penser qu'il était un matériau de choix pour contenir des qubits protégés de la décohérence et donc pour fabriquer des ordinateurs quantiques.

Dans l'expérience réalisée par les physiciens, on commence par séparer une impulsion laser en deux parties dont chacune est envoyée en direction des deux diamants dont la taille est d'environ 3 mm. En raison du séparateur de faisceaux, chaque photon de l'impulsion laser se retrouve à pouvoir emprunter deux chemins possibles, conduisant au diamant de gauche ou celui de droite.

Des quanta de son intriqués

Dans les diamants eux-mêmes, un photon peut donner naissance à un phonon, c'est-à-dire un quanta d'énergie sonore des modes de vibrations du réseau cristallin. L'intrication quantique des deux diamants se produit parce que, bien que la description des impulsions lasers sortant du séparateur soit purement classique, l'ensemble du dispositif fonctionne selon le schéma appelé « DLCZ », du nom des auteurs d'un article de Nature en 2001, déjà réalisé expérimentalement sous d'autres formes.

Pour prouver la présence d'une intrication, on envoie une seconde impulsion lumineuse à travers les diamants. Si l'un des photons absorbe un phonon, son énergie s'en trouve augmentée et sa couleur se trouverait donc décalée vers le bleu si elle était rouge. Ses photons émergeant des deux diamants forment deux faisceaux qui sont à nouveau combinés en un seul, lequel sera encore séparé par un autre diviseur de faisceau.

Si les photons sont bien dans un état d'intrication, on peut montrer qu'ils n'émergeront du dernier séparateur que dans une seule branche du système optique. Dans le cas contraire, ils auront une égale probabilité de se trouver dans l'une des branches.

L'expérience a bien confirmé l'intrication des photons, et donc apparemment des diamants. Ce qui est remarquable c'est que l'expérience se déroule à température ambiante. Les diamants ont donc bien joué leur rôle de milieu isolant, protecteur de la décohérence. Reste à savoir jusqu'à quel point on peut de cette manière obtenir un grand nombre de qubits utilisables pour des calculs quantiques. Il est bien trop tôt pour en déduire que l'obstacle à la création d'un superordinateur quantique a été levé.