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 au silicium : des millions pour le projet QuCube à Grenoble

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L'Europe vient d'attribuer 14 millions d'euros à des équipes de chercheurs du CNRS et du CEA à Grenoble explorant une voie prometteuse pour la réalisation industrielle d'ordinateurs quantiques. Il s'agirait d'utiliser des qubits sur des puces de silicium analogues à celles que l'on sait déjà fabriquer à grande échelle.

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. 

Sommes-nous à la veille d'une nouvelle révolution quantique après celle des transistors, celle des lasers et des IRM ? C'est bien possible. Visiblement de plus en plus de laboratoires et d'institutions de par le monde considèrent qu'il y a un enjeu sérieux avec la mise au point des mythiques ordinateurs quantiques. L'un des pionniers n'était autre que le célèbre prix Nobel de physique Richard Feynman, dont on a fêté le centenaire de sa naissance cette année.

Pourtant, ces ordinateurs ont rencontré beaucoup de scepticisme. Aujourd'hui, même si l'on sait en fabriquer, il n'est toujours pas évident de les développer au point qu'ils puissent battre sans effort les plus puissants supercalculateurs actuels. À défaut de véritables ordinateurs universels programmables, il semble tout de même que l'on soit sur le point d'avoir des calculateurs et des simulateurs quantiques exploitant des algorithmes, eux aussi quantiques, dont on sait qu'ils peuvent battre ces superordinateurs sur des problèmes précis. Par exemple, pour la simulation de composants et réactions chimiques complexes ouvrant la porte à des applications révolutionnaires en médecine ou encore à la simulation de nouveaux matériaux tels que des supraconducteurs à haute température. Ils révolutionneraient l'IRM, le transport de l'énergie et peut-être aussi la fusion contrôlée. Le domaine de l'intelligence artificielle pourrait bien aussi se trouver transformé avec un nouveau domaine de recherche, celui du Quantum machine learning exploré, par exemple, en France par Atos.

Vous souhaitez avoir les bases en mécanique quantique ? Suivez la masterclass de Roland Lehoucq, astrophysicien au CEA. Ce cours est accessible dès la terminale S, en lien avec le programme de physique. Cette masterclass a été enregistrée à l’École polytechnique, le 29 mai 2018, et est proposée en complément de la revue scientifique Clefs du CEA, « Révolutions quantiques ». © CEA Recherche

Le CEA est dans la course aux ordinateurs quantiques et plus généralement aux technologies de l'information quantique, depuis déjà un certain temps. Daniel Estève et le groupe Quantronique du Service de physique de l'état condensé du CEA-CNRS, Paris-Saclay, sont notamment des pionniers dans la connaissance et la maîtrise de l'information quantique à l'origine du circuit dit de la boîte à paires de Cooper avec qubits quantiques supraconducteurs. Voilà plusieurs mois, le CEA a montré son intérêt et ses compétences dans le domaine avec plusieurs publications et vidéos en ligne à destination du grand public cherchant à se cultiver sur ce sujet fascinant. À la même époque, un projet de collaboration a été signé entre la première entreprise australienne dédiée à l'informatique quantique, Silicon Quantum Computing Pty Ltd (SQC) et le CEA.

Les puces quantiques au silicium, l’avenir de l’informatique quantique ?

Cette signature reçoit une nouvelle signification par l'annonce qui vient d'être faite concernant l'attribution d'un financement à hauteur de 14 millions d'euros sur six ans par le Conseil européen de la recherche (ERC Synergy Grant) au projet QuCube. Mené dans trois instituts de recherche grenoblois (CEA-Leti, Inac et Institut Néel) et impliquant des scientifiques du CEA, du CNRS et de l'UGA, ce projet étudié dans le cadre du programme pluridisciplinaire Quantum Engineering a pour tâche de continuer à explorer le concept de processeur quantique mais avec des qubits portés par des puces en silicium. Ceci, sous la direction des trois responsables de recherche, lauréats de ce financement avec leurs équipes, Silvano De Franceschi (Inac, CEA), Tristan Meunier (Institut Néel, CNRS) et Maud Vinet (CEA-Leti).

De gauche à droite, Tristan Meunier, Institut Néel-CNRS, Maud Vinet, CEA-Leti et Silvano De Franceschi, CEA/Inac

Pour mettre cette annonce en perspective, il existe plusieurs voies de recherche prometteuses pour le calcul quantique mais toutes doivent résoudre deux problèmes principaux.

Il y a d'abord le fait que le calcul quantique en quelque sorte en parallèle - que permet le fameux principe de superposition des amplitudes de probabilité quantique avec des systèmes quantiques à deux états portant des bits d'information quantique (qubits), comme les électrons avec leur spin - est très fragile devant les perturbations causées par un environnement (chaleur, rayonnement électromagnétique, etc.) et ce d'autant plus que l'on fait intervenir un grand nombre de ces systèmes. Ces perturbations produisent un phénomène dit de décohérence qui introduit de plus en plus d'erreurs dans les calculs voire les détruits avant qu'ils ne puissent être menés à terme.

Or, pour vraiment battre les ordinateurs classiques, il faut un grand nombre de qubits, des millions selon certaines estimations, ce qui implique un temps de décohérence trop court. Trop court, pour que l'entreprise soit réalisable si l'on ne sait pas lutter contre la décohérence, ou pour le moins corriger ses effets, avec des codes correcteurs d'erreurs analogues à ceux déjà utilisés par les ordinateurs.

Ce qui nous amène au second obstacle, comment produire à l'échelle industrielle des puces quantiques en passant de milliers à de millions de qubits ?

C'est là l'intérêt de la voie du silicium explorée à Grenoble. Il s'agit, en effet, de voir si l'on ne peut pas transposer les connaissances et les technologies CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor, technologie de fabrication de composants électroniques), largement utilisées dans l'industrie microélectronique avec les puces de silicium classiques, à des puces quantiques. Depuis quelques années déjà, on sait que l'on peut avoir des gains de temps de résistance à la décohérence intéressants avec des qubits portés avec le spin des électrons d'isotopes de silicium 28.

Espérons que ces travaux vont faire mentir dans quelques années les Cassandres qui doutent toujours des ordinateurs quantiques...

  • La technologie de fabrication industrielle des puces au silicium pourrait aider à l'avènement des ordinateurs, ou pour le moins des simulateurs et calculateurs quantiques commerciaux.
  • Des groupes de recherche du CEA, à Grenoble, viennent de recevoir un financement à hauteur de 14 millions d'euros sur six ans de la part de l'Europe pour explorer la voie de l'informatique quantique.
  • À terme, la chimie, la médecine mais aussi l'intelligence artificielle pourraient en être révolutionnées.
Pour en savoir plus

Ordinateur quantique : un nouveau record pour des puces en silicium

Article de Laurent Sacco publié le 20/10/2016

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.

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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