Cinq façons dont QSA fait progresser l’informatique quantique

Les ordinateurs quantiques pourraient un jour effectuer certains calculs plus rapidement que les ordinateurs classiques, avec des applications dans les domaines de la science, de la médecine, de la sécurité, de la finance et au-delà, mais les chercheurs doivent d’abord améliorer la science et la technologie sous-jacentes. Depuis son lancement en 2020, l’accélérateur de systèmes quantiques (QSA) a déjà réalisé des avancées majeures dans le matériel et la programmation, améliorant les outils quantiques qui, espèrent les chercheurs, aideront à résoudre certaines des plus grandes questions de l’humanité.

QSA est l’un des cinq centres nationaux de recherche en sciences de l’information quantique du ministère de l’Énergie, qui se concentre sur les trois principales technologies de l’informatique quantique : les circuits supraconducteurs, les systèmes à ions piégés et les atomes neutres.

Nous pensons qu’il existe des synergies entre ces trois grandes technologies et que chacune peut avoir des capacités et des applications uniques pour résoudre différents types de problèmes, a déclaré Rick Muller, directeur de QSA et cadre supérieur chez Sandia National Laboratories. En les examinant tous les trois ensemble, nous pouvons plus facilement trouver leurs points forts, appliquer des innovations à toutes les technologies et concevoir une voie vers un ordinateur quantique universel.

Dirigé par Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), QSA rassemble plus de 250 experts de 14 autres institutions : Sandia National Laboratories, University of Colorado Boulder, MIT Lincoln Laboratory, Caltech, Duke University, Harvard University, Massachusetts Institute of Technology, Tufts Université, UC Berkeley, Université du Maryland, Université du Nouveau-Mexique, Université de Californie du Sud, Université du Texas à Austin et Université de Sherbrooke au Canada.

Ensemble, les chercheurs de QSA développent des moyens de mieux contrôler les qubits (les éléments constitutifs des ordinateurs quantiques), de trouver des algorithmes et des applications pour les systèmes d’information quantiques actuels et émergents, et d’accélérer leur transfert vers l’industrie. QSA prépare également la prochaine génération de scientifiques quantiques par le biais d’activités, notamment des programmes de mentorat par les pairs, des salons de l’emploi et des formations pour les élèves et les enseignants du secondaire.

Catalysent le leadership national dans l’information quantique grâce à la co-conception de dispositifs quantiques, d’algorithmes et de solutions d’ingénierie, dans le but de fournir un avantage quantique, a déclaré Bert de Jong, directeur adjoint de QSA et scientifique principal au Berkeley Lab. Faisons avancer les technologies quantiques imparfaites et cherchons comment nous, dans le milieu universitaire et les laboratoires nationaux travaillant avec nos partenaires de l’industrie, pouvons commencer à les utiliser aujourd’hui. Dans le même temps, préparaient les scientifiques à les utiliser pour résoudre de grandes questions scientifiques.

En mars, l’accélérateur de systèmes quantiques a publié un rapport d’impact complet sur les progrès réalisés depuis le lancement du centre en 2020. Voici cinq faits saillants réalisés par les scientifiques et partenaires de QSA jusqu’à présent :

Étude du magnétisme quantique et de la matière avec un ordinateur à 256 atomes (assemblé à l’aide de faisceaux laser)

Les chercheurs de QSA de l’Université de Harvard et du MIT ont utilisé un dispositif quantique spécial pour observer plusieurs états exotiques de la matière pour la première fois et ont étudié le magnétisme au niveau quantique. Leurs découvertes aident à expliquer les propriétés physiques sous-jacentes des matériaux et pourraient être utilisées pour concevoir des matériaux exotiques du futur. Leurs recherches ont été effectuées à l’aide d’un simulateur quantique programmable semblable à un ordinateur quantique. L’équipe de Harvard a construit le simulateur en utilisant des centaines de faisceaux laser connus sous le nom de pinces optiques, en disposant 256 atomes de rubidium ultra-froids qui agissaient comme des qubits. Selon certaines mesures, cela en fait le plus grand processeur quantique programmable démontré à ce jour. En déplaçant les atomes dans des formes telles que des carrés, des nids d’abeilles et des triangles, les scientifiques de QSA ont manipulé la façon dont les qubits interagiraient les uns avec les autres et ont effectué des mesures importantes des phases quantiques de la matière et des liquides de spin quantique.

Des couches de qubit empilées sur des micropuces pour aider les ordinateurs à se développer

Une façon de construire un ordinateur quantique utile consiste à connecter des qubits à des circuits supraconducteurs, qui peuvent conduire l’électricité sans perte d’énergie lorsqu’ils sont extrêmement froids. Mais avec chaque qubit ajouté, l’ingénierie des connexions et de l’électronique devient plus difficile. Vous pouvez imaginer un groupe de qubits répartis comme une grille sur une feuille de papier ; essayer de serpenter les connexions aux qubits les plus internes provoque un encombrement qui peut dégrader les qubits ou les signaux. Pour relever le défi, les scientifiques du MIT et du MIT Lincoln Laboratory s’inspirent de l’électronique commerciale et étudient les qubits avec des couches. Ces empilements de puces électroniques redirigent les connexions pour attacher verticalement, comme perpendiculairement à notre grille une sorte d’intégration 3D. Le changement permet aux chercheurs de potentiellement connecter, contrôler et lire un plus grand nombre de qubits. Grâce au financement de QSA et d’autres partenaires, ils ont déjà construit et testé une puce qubit à 2 piles (avec deux couches), et les chercheurs de QSA travaillent sur d’autres versions améliorées. Cette étape est une étape importante vers des qubits plus denses qui peuvent effectuer des calculs plus complexes.

Création d’un capteur quantique record qui peut être utilisé pour chasser la matière noire

Cette illustration du capteur quantique montre des ions de béryllium piégés (points rouges) disposés dans un cristal 2D. (Crédit : S. Burrows/JILA/UC Boulder)

Toute étude utilisant l’électronique est limitée par des variations aléatoires ou du bruit qui peuvent masquer les informations recherchées par les chercheurs. Les systèmes quantiques, tels que les réseaux d’atomes ultrafroids, peuvent être utilisés pour effectuer des mesures extrêmement précises qui permettent de mieux distinguer le signal du bruit. Dirigés par l’Université du Colorado à Boulder, les chercheurs de QSA ont construit un capteur quantique à partir de 150 ions béryllium (atomes avec une charge électrique) disposés dans un cristal plat. En utilisant des particules enchevêtrées, où un changement dans l’une a un impact immédiat sur l’autre, le capteur quantique a mesuré des champs électriques avec plus de 10 fois la sensibilité de tout capteur atomique précédemment démontré. La détection de changements incroyablement infimes fait d’un tel capteur un outil puissant qui pourrait potentiellement améliorer les détecteurs d’ondes gravitationnelles ou rechercher la matière noire, l’un des plus grands mystères de la physique moderne.

Apprentissage automatique exploité pour corriger les erreurs en temps réel

Pour améliorer les ordinateurs quantiques, les chercheurs ont besoin d’un moyen de trouver et de corriger les erreurs, comme un qubit basculant au hasard entre 0 et 1. Des méthodes telles que la correction d’erreur quantique continue (CQEC) gardent un œil sur les qubits et recherchent des signes révélateurs de problèmes, mais ils sont également soumis à un bruit qui peut masquer des problèmes. Les chercheurs QSA de l’UC Berkeley ont conçu un algorithme d’apprentissage automatique capable de traiter les signaux CQEC et de détecter les erreurs avec plus de précision que les méthodes actuelles en temps réel. Parce que le nouvel algorithme est flexible, apprend sur le tas et nécessite de petites quantités de puissance de calcul, il pourrait améliorer les systèmes de correction d’erreur continue et prendre en charge des ordinateurs quantiques plus grands et plus stables.

Conception d’un moyen plus simple de relier des qubits

Nos ordinateurs de tous les jours utilisent des circuits avec des portes logiques (telles que AND, OR et NOT) pour effectuer des opérations. Les circuits quantiques peuvent également utiliser des portes comme blocs de construction, mais au lieu de dispositifs tels que des transistors, leurs portes sont constituées de qubits et d’interactions entre les qubits. Alors qu’un ou deux qubits intriqués peuvent être utilisés pour des opérations de base, la liaison de nombreux qubits peut accélérer les calculs, simplifier les circuits quantiques et rendre les ordinateurs plus puissants. Les chercheurs de QSA dirigés par l’Université Duke ont développé une nouvelle méthode en une étape pour créer ces portes plus polyvalentes avec plusieurs qubits intriqués. Leur technique étend les opérations logiques pour les ordinateurs quantiques et comprend un type particulier de porte (connu sous le nom de porte N-Toffoli) qui, selon les experts, sera important dans les additionneurs quantiques, les multiplicateurs et d’autres algorithmes, y compris ceux ayant des applications en cryptographie.

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Fondé en 1931 sur la conviction que les plus grands défis scientifiques sont mieux relevés par des équipes, le Lawrence Berkeley National Laboratory et ses scientifiques ont été récompensés par 16 prix Nobel. Aujourd’hui, les chercheurs du Berkeley Lab développent des solutions énergétiques et environnementales durables, créent de nouveaux matériaux utiles, repoussent les frontières de l’informatique et sondent les mystères de la vie, de la matière et de l’univers. Des scientifiques du monde entier comptent sur les installations des laboratoires pour leur propre découverte scientifique. Berkeley Lab est un laboratoire national multiprogramme, géré par l’Université de Californie pour le Bureau des sciences du Département américain de l’énergie.

L’Office of Science du DOE est le plus grand soutien de la recherche fondamentale en sciences physiques aux États-Unis et s’efforce de relever certains des défis les plus urgents de notre époque. Pour plus d’informations, veuillez visiter energy.gov/science.