Dans la course à l’informatique quantique, la Caroline du Nord occupe le devant de la scène

Dans les années 1950, les ordinateurs étaient encombrants, inefficaces et limités. Ils dévoraient des pièces entières mais ne pouvaient pas aller au-delà de calculs rudimentaires.

Comme vous le savez, ces machines ne sont pas restées simples ; l’ordinateur du milieu du XXe siècle s’est modernisé, compacté et a continué à changer le monde. C’est la voie sur laquelle beaucoup pensent que les ordinateurs quantiques sont maintenant : élémentaire aujourd’hui, transformateur demain… eh bien, nous verrons.

La promesse des ordinateurs basés sur la physique subatomique est alléchante. En théorie, les problèmes qui prendraient des années aux ordinateurs classiques pour être résolus pourraient être traités par des ordinateurs quantiques en quelques minutes, faisant éclater des avancées ouvertes dans les domaines de la finance, de la chimie, de l’intelligence artificielle, de la logistique, de la cybersécurité et plus encore.

Avec une puissance de calcul exponentiellement améliorée, les scientifiques peuvent avoir les outils pour découvrir de nouveaux médicaments. Les sociétés financières pourraient mieux optimiser leurs portefeuilles. Les entreprises achemineraient les chaînes d’approvisionnement plus efficacement et les météorologues gagneraient en précision. Les pirates pourraient utiliser le pouvoir quantique pour contourner les mots de passe, mais les entreprises et les nations pourraient contrer en déployant l’informatique quantique pour renforcer leurs cyberdéfense.

Les possibilités de ce que le quantum pourrait accomplir sont vastes et difficiles à cerner. Les chercheurs ne savent pas quand une percée quantique dans le monde réel se produira, mais beaucoup disent « quand », et non « si ».

« Quantum progresse plus rapidement que beaucoup de gens ne l’anticipent », a déclaré Eric Ghysels, professeur de finance et d’économie à l’Université de Caroline du Nord-Chapel Hill. « Cette chose arrive, et tu ferais mieux d’être préparé. »

Les gouvernements, les entreprises et les universités du monde entier dépensent énormément pour se préparer au quantum. Et au cours des dernières années, les trois coins de la Research TriangleDuke University de Caroline du Nord, de la North Carolina State University et de l’UNC ont chacun apporté des contributions distinctes à ce domaine émergent, transformant l’État en un point chaud quantique légitime.

La puissance et le bruit

En 2018, IBM a choisi le Centennial Campus de NC State comme site de son premier IBM Quantum Hub en Amérique du Nord.

Deux ans plus tard, Duke s’est associé à la société IonQ basée dans le Maryland pour ouvrir le Duke Quantum Center dans le bâtiment Chesterfield du centre-ville de Durham. En vertu de leur arrangement, IonQ a des droits exclusifs sur la propriété intellectuelle produite par le laboratoire tandis que Duke a reçu des actions dans la société publique.

IBM et IonQ et par extension NC State et Duke se précipitent vers un objectif commun : atteindre ce que l’on appelle « l’avantage quantique », le moment encore insaisissable où un ordinateur quantique peut effectuer une tâche du monde réel mieux qu’un ordinateur classique. (Le terme « suprématie quantique » fait référence à un moment où un ordinateur quantique réalise quelque chose qu’un ordinateur classique ne pourrait jamais accomplir.)

Mais la poursuite des avantages quantiques est là où s’arrêtent les similitudes entre les deux installations, a déclaré Chris Monroe, cofondateur d’IonQ et directeur du Duke Quantum Center. « L’approche d’IBM et notre approche ne pourraient pas être plus différentes », a-t-il déclaré.

Pour comprendre leurs différences, il est utile de comprendre certaines des sciences sous-jacentes du quantum.

Les ordinateurs quantiques reflètent la physique du monde subatomique pour gérer l’information. Alors que les ordinateurs classiques fonctionnent sur des bits représentés par des 1 et des 0 numériques, les ordinateurs quantiques utilisent des bits quantiques, appelés qubits, pour afficher des états microscopiques de manière beaucoup plus complexe.

Une paire de phénomènes mécaniques quantiques rend ces machines exponentiellement plus avancées. La première est appelée superposition, la capacité d’un qubit à être dans plusieurs positions à la fois jusqu’à ce qu’il soit mesuré. Le second est l’enchevêtrement, qui est la façon dont différents qubits sont entrelacés.

Tout cela peut être assez déroutant pour le profane, et même pour d’autres scientifiques, reconnaissent les chercheurs quantiques.

« Les lois de la physique microscopique sont très, très différentes de ce que vous et moi vivons au cours d’une journée normale », a déclaré Patrick Dreher, scientifique en chef au IBM Quantum Hub de NC State.

Au lieu de réponses uniques, les ordinateurs quantiques crachent des distributions de probabilité. Par exemple, ils ne diraient pas 2 + 3 = 5 mais répondraient avec une fourchette de probabilités culminant autour de 5. C’est l’une des raisons pour lesquelles les chercheurs disent que les ordinateurs quantiques augmenteront, mais ne remplaceront jamais complètement, les Mac ou PC numériques. Les machines quantiques pourraient gérer des calculs massifs, mais les tâches quotidiennes comme Microsoft Word, les mathématiques de base et les vidéos en streaming peuvent toujours être mieux servies par les ordinateurs classiques.

Alors, qu’est-ce qui empêche les ordinateurs quantiques d’atteindre leur potentiel ? Il y a plusieurs obstacles.

Comme on pouvait s’y attendre, le domaine subatomique est difficile à contrôler. Les atomes rebondissent naturellement, ce qui peut provoquer une contamination qui conduit à des résultats « bruyants ». Les interactions microscopiques que les ordinateurs doivent capturer se produisent incroyablement rapidement, nécessitant une précision extrême, et lorsque des erreurs surviennent, les tentatives de correction d’un qubit peuvent facilement interférer avec d’autres qubits.

« C’est une machine fragile », a déclaré Dreher. « Et parce qu’ils sont bruyants, ils ont une capacité limitée à continuer à faire des calculs pour toujours. »

Malgré leurs limites, les ordinateurs quantiques sont passés de la théorie à des machines tangibles et fonctionnelles. Les chercheurs ont nommé cette étape actuelle l’ère Noisy Intermediate-Scale Quantum, ou NISQ. Il y a plusieurs ordinateurs bruyants à échelle intermédiaire qui fonctionnent aujourd’hui, Dreher disant que personne ne sait lequel sera « le home run ».

Lasers, atomes et lustres en or

De tous les ordinateurs quantiques du monde, ceux d’IBM sont probablement les plus ornés. Surnommés « lustres », ils comportent des appareils plaqués or à cinq niveaux avec une progression ordonnée de tubes et de fils descendant vers des puces de processeur en silicium uniques. Au niveau inférieur, chaque lustre refroidit une puce supraconductrice.

Et par cool, IBM veut dire vraiment, vraiment glacial.

Les chercheurs quantiques tentent de contrôler l’activité subatomique en créant des environnements extrêmes, et le lustre le fait avec la température. À son niveau le plus bas, la température est de 0,01 degré Kelvin, ce qui en fait l’un des endroits les plus froids de l’univers.

IBM exploite plus de 20 ordinateurs quantiques dans le monde, du nord de l’État de New York au Japon, et ils offrent aux membres de leur réseau quantique comme NC State un accès exclusif à des ordinateurs avancés qui sont conservés à l’intérieur d’un silo métallique et derrière un cube de verre comme une œuvre d’art de musée. En tant que membre du réseau IBM Quantum, les scientifiques de NC State peuvent exécuter des expériences à distance sur ces ordinateurs via le cloud.

Les étudiants de Duke, quant à eux, ont accès à un ordinateur quantique qu’ils peuvent toucher. Le Duke Quantum Center étudie un type d’ordinateur appelé piège à ions, qui fait léviter des atomes individuels au-dessus d’une puce de silicium plaquée or dans un vide sans air. Des lasers sont ensuite tirés sur l’atome pour modifier l’état des qubits à l’intérieur de l’atome et affecter leur interaction. Chris Monroe a comparé le processus à pincer une corde de guitare.

La poignée d’ordinateurs à piège à ions de Chesterfield est esthétiquement moins impressionnante que le lustre d’IBM. Ils s’étendent comme une ville bondée de chambres à vide, d’objectifs de caméra, de modulateurs et de lasers étroitement entassés. Monroe présente ces machines comme les pièges à ions les plus avancés au monde et pense qu’une fois les obstacles techniques surmontés (en bref, il est très difficile de frapper avec précision des atomes avec des lasers), les ordinateurs IonQ peuvent être largement disponibles.

« Nous envisageons un avenir où les ordinateurs quantiques sont dans les poches des gens », a-t-il déclaré.

L’UNC s’attaque à la fintech

Alors que NC State et Duke se concentrent sur la recherche quantique, UNC est un leader national des technologies quantiques en finance.

En mai 2020, l’école a lancé l’une des premières séries de webinaires du pays sur l’application du quantum aux entreprises. Pour répondre à la demande croissante de quantum, l’UNC Kenan-Flagler Business School a ajusté son programme pour inclure davantage de quantum. « Les enjeux sont importants », a déclaré Eric Ghysels. « Beaucoup d’institutions financières se rendent compte qu’elles feraient mieux de commencer maintenant, même si la science est dans quelques années. »

Le secteur financier est bien placé pour les premières applications quantiques. Tout d’abord, il s’agit d’une industrie basée sur l’analyse où la modélisation précise des délais et des prix peut signifier des milliards. Beaucoup prévoient des portefeuilles d’optimisation quantiques et une sécurité de compte sans précédent. Deuxièmement, avec tant d’argent en jeu, les entreprises aux poches profondes font des investissements importants dans le domaine.

En mars, Fidelity a conclu un partenariat avec le hub de NC State, et IBM elle-même s’intéresse à la recherche que son hub produit à des fins financières. « En termes de fintech, le Triangle devient une force considérable », a déclaré Ghysels. « Les entreprises veulent embaucher ici et s’installer ici. »

Le Triangle n’a pas la concentration d’entreprises quantiques observée dans des villes comme San Francisco, Boston et New York, mais il y a des signes que le côté commercial du quantique est en plein essor localement à mesure que de plus grandes entreprises comme Apple et Google entrent sur le marché.

Le fabricant californien d’informatique quantique Atom Computing a récemment basé son bureau exécutif à Cary, et des startups comme Dark Star Quantum Lab à Apex cherchent à trouver une niche dans le conseil quantique.

« Il est logique que ce soit un bon endroit pour le quantum en termes d’applications », a déclaré le PDG de Dark Star, Faisal Shah Khan.

Khan a noté que la proximité relative du Triangle avec la capitale financière de New York (même fuseau horaire, vol rapide) en fait un endroit encore plus attrayant pour le quantum et la fintech.

« Cela échouera d’une manière intéressante »

Alors, quand les ordinateurs quantiques seront-ils prêts ?

« Si je le savais, je ne serais pas ici en tant que professeur », a déclaré Patrick Dreher. « Je serais à Wall Street, ou je parlerais à (des capital-risqueurs). Vous me demandez en 1949, ‘Quand allons-nous construire un ordinateur numérique qui n’aura pas de tubes à vide et qui aura besoin d’un ensemble place pour le faire fonctionner? C’est pourquoi les gens gagnent des prix Nobel. »

En 2019, Google a annoncé qu’il avait atteint la supériorité quantique sur un problème mathématique artificiel, c’est-à-dire qui n’est pas lié à une situation réelle. IBM a repoussé l’affirmation de Google, et le débat sur la supériorité quantique persiste.

La technologie quantique reste à un « stade pré-concurrentiel », a déclaré Dennis Kekas, vice-chancelier associé au Centennial Campus de NC State. Par cela, Kekas voulait dire que les entreprises partagent généralement leurs découvertes au service du progrès scientifique. Dans le milieu universitaire, UNC, Duke et NC State organisent une série de séminaires hebdomadaires Triangle Quantum Computing tout au long de l’année scolaire, invitant des experts du monde entier.

À Chesterfield, Duke Ph.D. les étudiants sont en première ligne de la recherche quantique. Leur travail de laboratoire actuel se concentre sur la communication entre les ordinateurs à pièges à ions, le partage d’informations entre les machines comme les ordinateurs classiques peuvent le faire maintenant. Ces dernières années, ils ont vu des collègues occuper des postes de consultants en affaires quantiques, continuer dans le milieu universitaire, rejoindre IonQ ou être intégrés dans des laboratoires nationaux comme Los Alamos.

Interrogés sur l’avenir du quantique, les perspectives des étudiants ont rappelé que personne ne le sait avec certitude, ni eux, ni leurs enseignants, ni les entreprises qui pourraient les embaucher si le rêve quantique se réalisera un jour. Ils ont parlé de garder à l’esprit la vision à long terme et ont noté qu’il est peu probable que l’avantage quantique soit au coin de la rue.

Jameson O’Reilly, un doctorat de quatrième année. étudiant au laboratoire, a déclaré qu’il croyait que l’avantage quantique finirait par être atteint, mais si ce n’est pas le cas, il a déclaré que cela en aurait quand même valu la peine.

« Je pense que si cela ne se produit pas, cela échouera d’une manière intéressante », a-t-il déclaré. « D’une manière qui nous donne une meilleure compréhension de l’univers. »

2022 Les nouvelles et l’observateur.
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