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Fabrication d'un ordinateur quantique

Dossier - L'ordinateur quantique

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Le concept d'ordinateur quantique concerne à la fois la théorique classique de l'information, l'informatique et la physique quantique. Nous allons tenter de résumer en quelques pages non seulement le concept d'ordinateur quantique mais également le sujet plus complexe de la théorique quantique de l'information, un passionnant voyage dans la technologie de l'avenir.

  
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Du fait qu'un ordinateur quantique manipule des qubits, sa fabrication n'a plus rien à voir avec celle d'un ordinateur conventionnel ; son processeur ne contient plus de transistor ou de diode par exemple.

Il faut élaborer une nouvelle et très haute technologie capable de faire exister des qubits en superpositions d'états 0 et 1. La méthode pour y parvenir... n'existe pas ; nous en sommes encore au stade expérimental avec tous les échecs et les quelques succès que cette étape sous-entend.

A - Laser et point quantique

L'une des solutions pour créer un qubit consiste à élaborer un "point quantique" qui est fondamentalement un électron piégé dans une cage d'atomes, performance technique qui est aujourd'hui accessible aux laboratoires de Bell ou d'IBM par exemple qui peuvent manipuler des atomes individuellement.

Les jeunes ordinateurs quantiques ont encore besoin de l'ancienne génération ! Ces deux étudiants de l'UIBK sont à la console d'ordinateurs conventionnels servant à piloter les lasers et les source radiofréquences d'un ordinateur quantique. © UIBK/C.Lackner - Tous droits de reproduction interdit

Lorsque ce minuscule "point" est éclairé par une impulsion laser d'une longueur d'onde et d'une durée bien déterminée, l'électron passe dans un état excité. Une seconde impulsion laser provoque sa chute vers son état fondamental. Les états, fondamental et excité de l'électron représentent les états 0 et 1 d'un qubit, l'application du rayon laser représentant une fonction NOT provoquant le changement d'état, 0 vers 1 ou 1 vers 0 du qubit.

Les chercheurs Andrew G.White (arrière-plan) et Jeremy L. O'Brien de l'Université de Queensland réglant les portes NOT d'un ordinateur quantique © IBM - Tous droits de reproduction interdit

Si l'impulsion laser est moitié moins longue que la durée nécessaire à la fonction NOT, l'électron passe dans une superposition d'états fondamentaux et excité simultanément; cela correspond à l'état d'imbrication quantique du qubit. Des fonctions logiques plus complexes peuvent être créées en utilisant des points quantiques arrangés par paires.

Deux ions de baryum au repos contenant chacun un seul qubit sont maintenus séparés par un rayon laser refroidit près du zéro absolu afin d'étudier la durée du phénomène de décohérence. © A.White/J.O'Brien - Tous droits de reproduction interdit

Si ce principe fonctionne en théorie, la création d'un ordinaire quantique de cette manière présente certaines difficultés qui empêchent actuellement de progresser.


Les chercheurs du MIT, IBM ou du JPL ont experimenté d'autres solutions que le point quantique pour élaborer leur ordinateur quantique. Plusieurs techniques font appel à des molécules ou des atomes individuels ou encore à la polarisation d'une lumière laser comme support d'information. Une nouvelle fois le principal problème est la décohérence.

La solution la plus intéressante fait appel à la résonance magnétique nucléaire (RMN) qui permet, grâce à l'émission d'ondes radios spécifiques, de détecter les changements de spin.

Les Drs Isaac Chuang et Costantino Yannoni manipulant des éprouvettes contenant des molécules organiques. Aussi étonnant que cela soit, elles constituent le coeur de leur ordinateur quantique. A l'arrière-plan le cylindre métallisé est l'aimant à supra-conducteur du système RMN. © IBM - Tous droits de reproduction interdit

Comment fonctionne un système RMN ? A l'image des installations médicales, les équipements RMN utilisés en physique quantique sont constitués d'aimants supra-conducteurs capables de générer des champs magnétiques supérieurs à 2 Tesla. Cette intensité est nécessaire car la sensibilité du système augmente proportionnellement à l'intensité du champ magnétique. Pour étudier les structures atomiques et moléculaires, les champs radiofréquences sont de l'ordre de 500 à 750 MHz.

Ces aimants étant plongé dans ces enceintes contenant de l'hélium liquide à -269°C et ne dissipant pas de chaleur (effet joule nul), l'avantage de ce système est de ne pas consommer d'électricité pour générer les champs magnétiques. La seule contrainte est qu'il faut régulièrement remplacer l'hélium et l'azote liquides pour assurer la supra-conductivité car les produits ont tendance à s'évaporer.

Un ordinateur quantique utilisant la technologie RMN est réduit à une molécule et ces qubits sont représentés par les noyaux atomiques contenus dans la molécule. En fait pour effectuer les calculs le système n'utilise pas une seule molécule mais une "soupe" ou une "tasse" de molécules liquides. L'avantage de cette méthode est d'éviter tout risque d'erreur : même si les molécules du liquide sautent dans un autre état, l'état de spin des noyaux qu'elles contiennent restent inchangés. Le problème de la décohérence reste toutefois présent, mais il apparaît beaucoup plus tard que dans toute autre technique entrevue jusqu'à présent.

“Ordinateur” moléculaire RMN constitué de 5 qubits. © S.J.Glaser/U.T.Munich - Tous droits de reproduction interdit

Les premiers résultats probants furent obtenus par Isaac Chuang en 1998. Avec son équipe il parvint à créer un ordinateur quantique à 2 qubits dans un dé à coudre de chloroforme et parvint à calculer les différentes périodicités d'une fonction. Il parvint également à retrouver une donnée parmi quatre en une seule étape en appliquant l'algorithme de Grover.

Le travail actuel des chercheurs consiste à réaliser des tâches plus complexes qui requièrent un plus grand nombre de qubits, donc plus de molécules et plus de nucléi.
En 2001 Chuang et son équipe sont parvenus à créer un système contenant 7 qubits qui leur permit de réaliser la factorisation du nombre 15 grâce à l'algorithme de Shor. En pratique cela correspond à contrôler un milliard de milliards de molécules !

Chuang et Gershenfield n'envisagent toutefois pas de solutions au delà de 15 ou 20 qubits du fait que les signaux magnétiques qui mesurent l'orientation des spins et déterminent les états quantiques deviennent excessivement faibles à mesure que le nombre de qubits augmentent, faiblissant d'un facteur voisin de 2 pour chaque qubit supplémentaire.

C - Les semi-conducteurs

Voyant les limites de la RMN, Colin Williams du JPL de la NASA a suggéré de fixer les qubits dans des semi-conducteurs ou sur des photons piégés dans des cavités optiques.

Les méthodes pour y parvenir sont variées : les uns utilisent des électrons confinés dans des nanostructures semi-conductrices, les autres des noyaux associés avec des impuretés mono-atomiques dans un semi-conducteur ou encore des flux électroniques ou magnétiques circulant dans des supra-conducteurs.