Améliorer l’informatique quantique en cherchant à construire un meilleur qubit
Alors que la société devient de plus en plus axée sur les données, il existe un besoin croissant d’ordinateurs capables de suivre le rythme de la marée montante d’informations ainsi que d’ordinateurs capables d’explorer des sujets qui ne répondent pas aux ordinateurs traditionnels, tels que des problèmes qui ne peuvent être réduits à oui ou non.
Avec leur capacité à traiter de grandes quantités de données à des vitesses rapides, ainsi qu’à gérer des niveaux d’ambiguïté plus élevés, les ordinateurs quantiques sont considérés comme une solution. Mais un ordinateur quantique n’est aussi bon que ses bits quantiques ou qubits, les particules individuelles à courte durée de vie qui stockent les informations à traiter. Un qubit qui dure plus longtemps offre une plus grande capacité de calcul.
Cette quête pour construire un meilleur qubit est au cœur des recherches de Ruihua Cheng, professeur agrégé au Département de physique de l’École des sciences de l’IUPUI. Son travail est soutenu par le Center for Quantum Technologies, une collaboration soutenue par la National Science Foundation entre IU, Purdue et Notre Dame. Dans le cadre du centre, elle et ses étudiants travaillent à comprendre un type spécial de molécule connue sous le nom de molécule de croisement de spin qui pourrait présenter des avantages significatifs par rapport aux autres candidats actuellement utilisés comme qubits.
Annoncé en 2021, le Center for Quantum Technologies est soutenu par le programme de recherche coopérative industrie-université de la NSF, dans lequel des organisations publiques et privées coopèrent pour faire avancer les travaux des scientifiques dans un large éventail de domaines. Il existe plus de 80 de ces programmes aux États-Unis, mais le Center for Quantum Technologies est le seul centre spécifiquement axé sur la science et la technologie quantiques, selon Ricardo Decca, professeur et directeur du Département de physique de la School of Science de l’IUPUI. , qui a aidé à diriger la création de centres dans l’Indiana.
Les autres membres du Center for Quantum Technologies comprennent le Air Force Research Laboratory, Cummins Inc, Eli Lilly and Co., Hewlett Packard, IBM, Intel, Northrup Grumman et Naval Surface Warfare Center-Crane. Les membres non universitaires qui parrainent des projets de recherche dans le cadre du programme bénéficient d’un accès anticipé aux résultats applicables à leurs organisations.
Les entreprises s’intéressent aux ordinateurs quantiques en raison de leur potentiel pour des tâches complexes qui ne conviennent pas aux ordinateurs traditionnels, a déclaré Cheng, y compris la modélisation de systèmes complexes tels que les cellules humaines ; alimenter l’intelligence artificielle ; et la protection des données personnelles avec des algorithmes cryptographiques.
Par exemple, a-t-elle dit, une société pharmaceutique pourrait vouloir explorer rapidement l’effet de centaines de milliers de composés chimiques sur une voie moléculaire liée à une maladie spécifique. Un ordinateur quantique pourrait non seulement fournir la puissance de calcul pour simuler rapidement l’effet de toutes ces molécules dans une cellule, mais aussi être mieux équipé pour gérer les zones grises dans la simulation où un programmeur ne peut pas fournir le résultat exact de chaque interaction chimique possible.
Un ordinateur quantique a la capacité de modéliser l’ambiguïté parce que les bits quantiques peuvent être compris comme existant dans plusieurs états simultanément. Les scientifiques peuvent exploiter cette propriété pour représenter plus d’un résultat en même temps, avec différentes probabilités attribuées à chaque état. Le résultat est un ordinateur capable d’explorer rapidement un large éventail de résultats potentiels.
En février, le Center for Quantum Technologies a convoqué sa première réunion de tous les partenaires participants pour examiner les propositions de projet. Cheng fait partie de deux des sept projets de premier tour sélectionnés, tous deux tirant parti de ses travaux sur les molécules de croisement de spin, soutenus par plusieurs subventions de la NSF.
Le spin est l’une des propriétés d’un électron qui peut être contrôlée ou manipulée de différentes manières aux fins de l’informatique quantique, a-t-elle déclaré. Notre travail se concentre sur l’utilisation de la tension électrique ou des champs électriques pour manipuler le spin de ces molécules, une nouvelle approche qui suggère plusieurs avantages potentiels en informatique quantique, notamment une faible consommation d’énergie et un long temps de cohérence.
La cohérence fait référence à la durée pendant laquelle les molécules de croisement de spin sont utiles en tant que qubits.
Plus le temps de cohérence est long, plus longtemps vous pouvez conserver les informations pour les manipuler, a déclaré Cheng.
Ces temps sont de l’ordre de la microseconde, de la milliseconde ou plus, a-t-elle ajouté. C’est 100 à 1 000 fois plus long que certains autres matériaux actuellement utilisés comme qubits. Le fait que ces différences de temps soient importantes malgré leur longueur relativement courte témoigne de la puissance de ces qubits par rapport aux qubits à base de semi-conducteurs, a-t-elle déclaré.
Pour mener à bien leurs expériences, le laboratoire Chengs utilise des molécules de croisement de spin produites au Lawrence Berkeley National Laboratory en Californie, qui sont synthétisées sous forme de poudre pour un transport sûr. Pour manipuler et étudier le spin dans les molécules, les étudiants de Chengs utilisent une variété de machines hautement spécialisées, y compris des équipements de l’Institut de développement intégré des nanosystèmes de l’IUPUI. Elle envoie également des étudiants à Berkeley pour mener des expériences sur place.
Jared Phillips, un Ph.D. étudiant au laboratoire de Chengs, s’est rendu deux fois à l’installation de Berkeley et a collecté des données à distance. Sur la base de l’importance de ses recherches, Phillips a été honoré pour la meilleure affiche de recherche d’étudiants au 68e Symposium international de l’American Vacuum Society en novembre.
Dans le cadre du Center for Quantum Technologies, la recherche de Cheng ne se fait pas de manière isolée ; elle travaille avec d’autres collègues du centre pour acquérir une compréhension plus complète de ces molécules. Les chercheurs collaborateurs incluent Jing Liu de l’École des sciences de l’IUPUI, qui étudiera les propriétés optiques du comportement des molécules, et Babak Anasori de l’École d’ingénierie et de technologie de l’IUPUI, qui fournit des matériaux 2D spéciaux utilisés comme base pour les molécules. Les chercheurs d’IU Bloomington, Purdue et Notre Dame font également partie des projets.
En tant que collaboration entre les universités et l’industrie, Decca a déclaré que le Center for Quantum Technologies est conçu non seulement pour faciliter ce type de collaboration interinstitutionnelle, une force du milieu universitaire, mais également pour tirer parti de l’accent mis par le secteur privé sur l’innovation rapide. Chaque mois, le chercheur principal de chaque projet rencontre les partenaires industriels du centre pour intégrer leurs commentaires dans le travail des équipes.
Il y a aussi un aspect de développement de la main-d’œuvre au CQT, a déclaré Decca, notant que les étudiants qui participent à des projets de recherche financés par le centre obtiennent des compétences de haute technologie adaptées aux intérêts des partenaires participants. Il existe un fort potentiel pour les étudiants de se lancer directement dans ces industries après l’obtention de leur diplôme.
En plus des réunions mensuelles, une réunion plénière des centres partenaires a lieu deux fois par an. La prochaine de ces réunions, ouvertes au public, aura lieu sur le campus de l’IUPUI en octobre.