L’informatique quantique fait un pas de géant avec des découvertes révolutionnaires

Les scientifiques ont produit une forme améliorée et ultra-pure de silicium qui permet la construction de dispositifs qubit hautes performances. Ce composant fondamental est crucial pour ouvrir la voie à une informatique quantique évolutive.

La découverte, publiée dans la revue Matériel de communication – Naturepourrait définir et faire avancer l’avenir de l’informatique quantique.

Le silicium ultra-pur et la révolution quantique

La recherche a été dirigée par le professeur Richard Curry du groupe Advanced Electronic Materials de l’Université de Manchester, en collaboration avec l’Université de Melbourne en Australie.

« Ce que nous avons réussi à faire, c’est de créer efficacement une « brique » essentielle à la construction d’un ordinateur quantique à base de silicium », a proclamé avec enthousiasme le professeur Curry.

« Il s’agit d’une étape cruciale pour rendre réalisable une technologie qui a le potentiel de transformer l’humanité ; une technologie qui pourrait nous donner la capacité de traiter les données à une telle échelle que nous serons en mesure de trouver des solutions à des problèmes complexes tels que la lutte contre l’impact du changement climatique et les défis en matière de soins de santé », a poursuivi Curry.

Les défis de l’informatique quantique

L’un des plus grands défis liés au développement des ordinateurs quantiques réside dans le fait que les qubits, éléments constitutifs de l’informatique quantique, sont très sensibles et nécessitent un environnement stable pour conserver les informations qu’ils contiennent. Même de minuscules changements dans leur environnement, y compris des fluctuations de température, peuvent provoquer des erreurs informatiques.

Un autre problème est leur taille, à la fois leur taille physique et leur puissance de traitement. Dix qubits ont la même puissance de traitement que 1 024 bits dans un ordinateur normal et peuvent potentiellement occuper un volume beaucoup plus petit.

Les scientifiques pensent qu’un ordinateur quantique pleinement performant a besoin d’environ un million de qubits, ce qui offre des capacités impossibles à réaliser par n’importe quel ordinateur classique.

Comprendre les qubits et leur rôle dans l’informatique quantique

Les qubits, ou bits quantiques, sont les éléments fondamentaux des ordinateurs quantiques, analogues aux bits des ordinateurs classiques. Cependant, les qubits possèdent plusieurs propriétés uniques qui les différencient des bits classiques :

Superposition

Alors que les bits classiques ne peuvent être que dans l’un des deux états (0 ou 1), les qubits peuvent exister simultanément dans une superposition de plusieurs états. Cela signifie qu’un qubit peut représenter une combinaison de 0 et de 1 en même temps, permettant aux ordinateurs quantiques d’effectuer de nombreux calculs en parallèle.

Enchevêtrement

Les qubits peuvent être intriqués les uns aux autres, ce qui signifie que leurs états quantiques sont corrélés, même s’ils sont physiquement séparés. Cette propriété permet aux ordinateurs quantiques d’effectuer certains calculs beaucoup plus rapidement que les ordinateurs classiques.

Fragilité

Les qubits sont très sensibles à leur environnement et peuvent facilement perdre leur état quantique, un processus appelé décohérence. C’est l’un des principaux défis liés à la construction d’ordinateurs quantiques stables à grande échelle.

Portes quantiques

Les opérations sur les qubits sont effectuées à l’aide de portes quantiques, qui sont l’équivalent quantique des portes logiques des ordinateurs classiques. Ces portes manipulent les états quantiques des qubits pour effectuer des calculs.

La mesure

Lorsqu’un qubit est mesuré, il passe de son état de superposition à un état défini de 0 ou 1. Le résultat de la mesure est probabiliste et dépend de l’état quantique initial du qubit.

Correction des erreurs

En raison de la fragilité des qubits, des techniques de correction d’erreurs quantiques sont nécessaires pour maintenir l’intégrité des calculs quantiques. Ces techniques impliquent l’utilisation de plusieurs qubits pour coder et protéger les informations stockées dans un seul qubit logique.

Les chercheurs explorent divers systèmes physiques pour mettre en œuvre des qubits, tels que des circuits supraconducteurs, des ions piégés, des photons et des qubits de spin à base de silicium.

Chaque approche présente ses propres avantages et défis, et le choix de la technologie des qubits dépend de facteurs tels que l’évolutivité, les taux d’erreur et la facilité de manipulation.

Le silicium est la clé des ordinateurs quantiques évolutifs

Le silicium est le matériau de base de l’informatique classique en raison de ses propriétés semi-conductrices, et les chercheurs pensent qu’il pourrait être la réponse aux ordinateurs quantiques évolutifs.

Cependant, le silicium naturel est composé de trois atomes de masse différente (appelés isotopes) : le silicium 28, 29 et 30. Le Si-29, qui représente environ 5 % du silicium, provoque un effet de « bascule nucléaire », provoquant la qubit pour perdre des informations.

Des scientifiques de l’Université de Melbourne ont trouvé un moyen de concevoir du silicium pour éliminer les 29 et 30 atomes de silicium, ce qui en fait le matériau idéal pour fabriquer des ordinateurs quantiques à grande échelle et avec une grande précision.

Le résultat – le silicium le plus pur au monde – ouvre la voie à la création d’un million de qubits, qui peuvent être fabriqués à la taille d’une tête d’épingle.

« Le grand avantage de l’informatique quantique sur silicium est que les mêmes techniques utilisées pour fabriquer les puces électroniques – actuellement dans un ordinateur quotidien composé de milliards de transistors – peuvent être utilisées pour créer des qubits pour des dispositifs quantiques à base de silicium », a noté Ravi. Acharya, un chercheur doctorant qui a réalisé des travaux expérimentaux dans le cadre du projet.

« La capacité de créer des qubits de silicium de haute qualité a été en partie limitée jusqu’à présent par la pureté du matériau de départ en silicium utilisé. La pureté révolutionnaire que nous montrons ici résout ce problème », a poursuivi Acharya.

Surpasser les supercalculateurs : la puissance de seulement 30 qubits

Cette nouvelle capacité offre une feuille de route vers des dispositifs quantiques évolutifs dotés de performances et de capacités inégalées et promet de transformer les technologies d’une manière difficile à imaginer.

« Notre technique ouvre la voie à des ordinateurs quantiques fiables qui promettent des changements radicaux dans la société, notamment dans les domaines de l’intelligence artificielle, des données et des communications sécurisées, de la conception de vaccins et de médicaments, ainsi que de la consommation d’énergie, de la logistique et de la fabrication », a expliqué le co-superviseur du projet, le professeur David Jamieson. , de l’Université de Melbourne.

« Maintenant que nous pouvons produire du silicium 28 extrêmement pur, notre prochaine étape consistera à démontrer que nous pouvons maintenir la cohérence quantique pour de nombreux qubits simultanément. Un ordinateur quantique fiable avec seulement 30 qubits dépasserait la puissance des superordinateurs actuels pour certaines applications », a conclu Jamieson.

Bien qu’ils en soient encore aux premiers stades de l’informatique quantique, une fois pleinement développés, les ordinateurs quantiques seront utilisés pour résoudre des problèmes complexes du monde réel, tels que la conception de médicaments, et fournir des prévisions météorologiques plus précises – des calculs trop difficiles pour les superordinateurs d’aujourd’hui.

Un avenir radieux pour l’informatique quantique

En résumé, la découverte pionnière du silicium ultra-pur par des scientifiques de l’Université de Manchester et de l’Université de Melbourne marque une étape importante dans le cheminement vers l’informatique quantique évolutive.

Cette réalisation s’aligne sur le 200e anniversaire de l’Université de Manchester, qui a été à l’avant-garde de l’innovation scientifique tout au long de son histoire, notamment avec la découverte de la « division de l’atome » d’Ernest Rutherford en 1917 et la toute première démonstration réelle de systèmes électroniques stockés. l’informatique programmée avec « The Baby » en 1948.

Les recherches réalisées par ces brillants scientifiques ouvrent la voie à la construction de dispositifs à qubits hautes performances, nous rapprochant d’un avenir dans lequel les ordinateurs quantiques pourront résoudre des problèmes complexes du monde réel qui dépassent les capacités des superordinateurs actuels.

Alors que les chercheurs continuent de repousser les limites de l’informatique quantique, nous pouvons nous attendre à des progrès transformateurs dans divers domaines, de l’intelligence artificielle et des communications sécurisées à la conception de vaccins et aux prévisions météorologiques.

La révolution quantique se profile à l’horizon, et la création du silicium le plus pur au monde est une étape cruciale pour en faire une réalité.

L’étude complète a été publiée dans la revue Matériel de communication – Nature.

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