Richard Feynman en pleine conférence au Cern en 1965. Vingt ans plus tard, il développera le concept d'ordinateur quantique. © Cern

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Ordinateur quantique : un nouveau record pour des puces en silicium

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L'obstacle de la décohérence quantique reste redoutable en ce qui concerne les ordinateurs quantiques mais de timides progrès sont fait continuellement avec les différents dispositifs qui permettraient de les fabriquer. Le dernier en date concerne les qubits portés par des électrons dans du silicium.

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. 

Ces derniers temps, la course vers les ordinateurs quantiques semble s'intensifier. De nombreux laboratoires, de ceux financés par Google à ceux de l'IQC (Institute for Quantum Computing) fondé par le milliardaire canadien Mike Lazaridis, accumulent les annonces concernant ces machines, en partie issues des réflexions de Richard Feynman au début des années 1980. Elles exploitent des phénomènes clés de la physique quantique, la superposition des états et l'intrication quantique, pour effectuer des sortes de calculs en parallèle qui peuvent parfois être plus rapides et plus puissants que ceux menés sur des superordinateurs classiques, comme nous l'explique Claude Aslangul dans la vidéo ci-dessus.

Le chercheur, cependant, ne cache pas son scepticisme et celui de ses collègues spécialistes des questions d'information quantique. Pour le moment, malgré des annonces plus ou moins tonitruantes, la situation ne semble guère avoir évolué. Certes, on sait déjà faire des ordinateurs quantiques miniatures. Mais ils restent incapables de battre la moindre calculatrice de poche pour lycéens. Certes, on sait faire des calculateurs ou des simulateurs quantiques capables de résoudre des problèmes bien spécifiques, et il ne semble pas douteux que des progrès notables puissent permettre d'atteindre la « suprématie quantique » sur les calculateurs classiques. Mais il ne s'agit pas de vrais ordinateurs universels aptes à être programmés pour réaliser des tâches arbitraires.

Que sont des ordinateurs quantiques qui fonctionneraient avec des qubits portés par des électrons dans le silicium ? Cette vidéo nous l'explique à partir de travaux menés par des chercheurs de l'université de Nouvelle-Galles du Sud . 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 ». © UNSWTV

Comment obtenir une production industrielle d'ordinateurs quantiques ?

En tout état de cause, deux problèmes fondamentaux sont à résoudre. Avoir un grand nombre de qubits et se protéger de la décohérence, une sorte de bruit issu de l'interaction d'un système quantique avec son environnement et qui fausse les calculs d'autant plus rapidement qu'ils nécessitent un nombre plus élevé de qubits.

Plusieurs équipes tentent de résoudre le problème de la décohérence en explorant des approches différentes. Il y a beaucoup d'espoir du côté des pièges à ions et des circuits supraconducteurs. Mais se poseraient de toute façon plusieurs problèmes : la fabrication à grande échelle d'ordinateurs quantiques, la facilité pour réaliser et utiliser des machines puissantes et leur coût de fabrication. Dans l'idéal, on voudrait disposer d'ordinateurs quantiques personnels et de telles machines ouvriraient peut-être la voie à la réalisation de robots conscients.

Un objectif est donc d'utiliser les techniques de fabrication standard des ordinateurs d'aujourd'hui pour réaliser des puces au silicium portant des qubits protégés de la décohérence. C'est cette voie qu'explorent depuis quelques années les chercheurs de l'université de Nouvelle-Galles du Sud (The University of New South Wales ou UNSW), une université australienne située non loin de Sydney, comme le montrent les vidéos mises en ligne.

Une vidéo sur le dernier succès des chercheurs de l'université de Nouvelle-Galles du Sud. 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 ». © UNSWTV

Des quibts habillés stabilisés par une onde électromagnétique

La dernière accompagne une publication d'un article dans Nature Nanotechnology, également en accès libre sur arXiv. Avec 2,4 millisecondes, les chercheurs y annoncent avoir battu un record du temps de résistance à la décohérence qu'ils ont multiplié d'un facteur 10. Ce n'est cependant pas le record du monde puisque, en 2013, une durée de 39 minutes a été obtenue. Mais il s'agissait alors de qubits portés par l'état de spin des noyaux alors qu'ici, ces qubits sont associés à l'état de spin d'électrons.

La technique employée pour rendre les qubits portés par les électrons dans le silicium plus résistants est une transposition de celle proposée dès la fin des années 1960 par les prix Nobel de physique français Claude Cohen-Tanoudji et Serge Haroche. Baptisée technique de l'atome habillé, elle consistait en quelque sorte à considérer un atome et un champ électromagnétique comme un unique système quantique couplé à un autre champ électromagnétique. Les chercheurs de l'UNSW se sont donc placés dans une situation analogue et c'est pourquoi il parle de qubit habillé (dressed qubit en anglais), comme ils l'expliquent dans leur dernière vidéo.

Ce progrès est intéressant mais les vrais ordinateurs quantiques surpuissants semblent toujours lointains. La situation semble toujours celle décrite par Max Tegmark« J'ai discuté de ces questions récemment avec des collègues. Nous sommes plusieurs à penser que de tels ordinateurs ne verront probablement pas le jour avant les années 2050 ».

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