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De nouveaux qubits prometteurs pour les ordinateurs quantiques

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La course aux ordinateurs et simulateurs quantiques bat son plein même si l'issue est encore incertaine. Plusieurs approches sont possibles et une équipe de chercheurs du MIT vient de faire savoir qu'elle avait trouvé une nouvelle façon de stocker des bits d'informations quantiques, des qubits. La percée est prometteuse car ces qubits sont particulièrement résistants aux perturbations rendant délicate la poursuite des calculs quantiques et qui limitent donc encore les applications possibles des machines en cours de réalisation.

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[EN VIDÉO] 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. 

Notre monde, celui de la Noosphère, est de plus en plus gourmand en traitement d'informations au moyen d'ordinateurs. Cela implique de pouvoir produire des machines de plus en plus puissantes en ce qui concerne le volume de calcul, la rapidité de leur exécution et, bien sûr, de plus en plus miniaturisées.

Au début des années 1980, le génial prix Nobel de physique Richard Feynman s'est rendu compte que les équations de la physique quantique et les phénomènes d'intrication et de superposition quantique qu'elles contenaient devaient permettre de faire des calculs directement avec des atomes ou des particules. On pouvait notamment utiliser des systèmes quantiques pour en simuler le comportement d'autres beaucoup plus facilement qu'avec des ordinateurs classiques hérités des travaux de John von Neumann et Alan Turing.

Découvrez en animation-vidéo l'histoire de la physique quantique : depuis la catastrophe ultraviolette jusqu'aux promesses de l'ordinateur quantique en passant par la première et la deuxième révolution quantique avec les idées de Feynman et Peter Shor. Une animation-vidéo coréalisée avec L’Esprit Sorcier. © CEA Recherche

L'essor de l'informatique quantique

Le concept d'ordinateur quantique universel en théorie programmable pour n'importe quelle tâche, ou plus simplement de simulateur quantique pour résoudre un problème bien précis, allait être étudié de plus en plus sérieusement au cours des décennies qui allaient suivre comme l'explique la vidéo ci-dessus qui est aussi une introduction au monde quantique dont des clés avaient été trouvées en 1925 par Werner Heisenberg comme l'explique dans un de ses derniers ouvrages Carlo Rovelli.

Les pionniers de ce que l'on peut appeler l'information quantique ont ainsi transposé les concepts et les théories décrivant les algorithmes et les bits d'informations pour ces nouvelles machines.

Ainsi, lors d'un séminaire donné en 1992, Benjamin Schumacher a introduit pour la première fois le concept de qubit, la transposition quantique des bits d'informations de Claude Shannon.

Ils ont aussi découvert que, dans certains cas, des algorithmes dits quantiques permettraient en théorie de résoudre très rapidement des problèmes qui pourraient prendre des siècles de calcul à des superordinateurs classiques. Même en gardant à l'esprit qu'il est possible, et cela s'est même déjà produit, que l'on trouve finalement des algorithmes classiques nouveaux qui fassent aussi bien que des algorithmes donnant la suprématie quantique sur les ordinateurs actuels, les enjeux sont tels que bien des entreprises se sont lancées dans la course aux ordinateurs quantiques, comme Google et IBM.

Une présentation plus poussée des concepts d'ordinateurs et d'algorithmes quantiques et, bien sûr, de qubits. © CEA Recherche

L'obstacle de la décohérence

Il y a toutefois un hic dans tout ça car des ordinateurs ou simulateurs quantiques ont besoin de résoudre ce qui est appelé le problème de la décohérence. Reprenons l'image déjà exposée par Futura à plusieurs reprise pour appréhender ce problème.

Pour réaliser un ordinateur quantique surpassant un ordinateur classique, il faut en effet disposer d'un grand nombre de qubits restant le plus longtemps possible dans un état d'intrication et de superposition quantique pour avoir le temps d'effectuer les calculs demandés. On peut se les représenter comme les éléments d'un château de cartes. Plus il prend de la hauteur, plus il est instable.

Quand il atteint quelques étages, un minuscule courant d'air ou une petite vibration de la table suffit pour que tout le château s'écroule. De façon générale donc, plus le château est grand, plus il a de risques de s'effondrer vite, à moins de le placer dans une chambre sous vide ou sur une table l'isolant des vibrations du sol par exemple.

Le problème est similaire avec des qubits. Il faut généralement refroidir presque au zéro absolu les systèmes quantiques constitués des quelques atomes seulement qui portent ces qubits pour les isoler suffisamment longtemps du bruit de fond ambiant, souvent thermique, généré par le reste de l'univers. Même ainsi, on dispose jusqu'à présent de temps trop court pour pouvoir effectuer autre chose que quelques timides calculs quantiques bien que depuis peu, certains simulateurs quantiques semblent bel et bien en mesure d'atteindre la suprématie quantique sur les ordinateurs classiques en ce qui concerne certains calculs bien spécifiques.

Il faut donc toujours malgré tout trouver des moyens de protéger le plus possible les calculs quantiques de ces perturbations ou utiliser des codes correcteurs quantiques, cousins de ceux des ordinateurs classiques pour lutter contre les erreurs de calcul produites par la décohérence.

Des physiciens du MIT viennent de trouver non seulement une nouvelle manière de produire des qubits mais aussi sous une forme prometteuse pour lutter contre le problème de la décohérence. Comme expliqué dans l'article publié dans Nature mais en accès libre sur arXiv, il s'agit de qubits que l'on obtient en refroidissant par laser des atomes de potassium 40 et en les piégeant, toujours par laser, dans les sites d'une sorte de cristal artificiel formé d'un réseau de rayons de lumière.

Les physiciens du MIT ont découvert que des paires d'atomes peuvent contenir une superposition de deux états vibrationnels. Comme deux pendules oscillants, les atomes peuvent se déplacer en synchronisation et les uns contre les autres, en même temps, ce qui en fait des qubits robustes pour l'informatique quantique. © Martin Zwierlein

Des analogues quantiques des modes des pendules couplés classiques

Martin Zwierlein et ses collègues Thomas Hartke, Botond Oreg, et Ningyuan Jia ont découvert tout à fait par hasard ces nouveaux qubits. Au départ, ils ne faisaient qu'explorer le domaine de recherche des atomes ultrafroids qui permet de se pencher sur des états exotiques de la matière comme les fameux condensats de Bose-Einstein.

Mais ils ont réalisé que les atomes qu'ils piégeaient et plongeaient dans un champ magnétique pouvaient se mettre à osciller selon des modes quantiques qui sont en correspondance avec les modes classiques des systèmes oscillants constitués de masses reliées par des ressorts et formant également des pendules. Ces systèmes classiques ont des applications nombreuses et tous les débutants en physique les étudient comme on peut s'en convaincre en lisant le fameux cours de physique de Feynman.

Les paires d'atomes considérées dans les expériences des chercheurs du MIT peuvent donc se comporter comme les analogues quantiques des systèmes classiques avec pendules que l'on voit osciller selon les deux modes de l'image ci-dessus. Il y a donc deux états quantiques que l'on peut superposer pour avoir un qubit. L'effet de la décohérence provoquerait l'effondrement de cette superposition vers un seul mode.

Mais il se trouve que la superposition d'état est particulièrement robuste et qu'elle peut être maintenue pendant environ 10 secondes, ce qui, selon les physiciens, permettrait en principe de faire 10.000 opérations avant que les effets de la décohérence ne prennent le dessus. C'est vraiment remarquable mais rappelons qu'en l'occurrence, il faut maintenir les atomes à seulement 100 nanokelvins et qu'il ne s'agit pour le moment que d'une preuve de principe de l'existence d'une mémoire quantique robuste avec les nouveaux qubits.

Il reste encore à trouver le moyen de vraiment pouvoir intriquer ces qubits et de les manipuler pour faire des opérations avec eux incarnant des calculs quantiques. Les physiciens ont tout de même déjà pu manipuler jusqu'à un certain point les états d'oscillation d'environ 400 paires d'atomes dans leurs expériences comme l'explique un communiqué du MIT au sujet de ce travail.

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