Les technologies underdog gagnent du terrain dans la course à l’informatique quantique

La course à la construction d’ordinateurs quantiques pratiques pourrait entrer dans une nouvelle phase. Certaines des technologies de pointe sont désormais confrontées à des contraintes de taille, et d’autres arrivent rapidement par derrière.

Depuis des années, deux approches phares ont permis aux physiciens de progresser en partie en bourrant les appareils de plus en plus de qubits, l’équivalent quantique des bits de mémoire d’un ordinateur. L’une de ces méthodes code les qubits sous forme de courants circulant sur des boucles supraconductrices. L’autre utilise des états excités d’ions individuels piégés dans le vide par des champs électromagnétiques.

Le premier ordinateur quantique à emballer 100 qubits entre dans une course surpeuplée

Mais au cours des deux dernières années, les qubits constitués d’atomes neutres uniques par opposition aux ions et tenus avec des pincettes en lumière laser sont soudainement devenus compétitifs. Et d’autres techniques qui sont à un stade de développement encore plus précoce pourraient encore rattraper leur retard.

Les qubits supraconducteurs et les qubits à ions piégés ont fait les expériences les plus avancées, avec le plus de qubits sous contrôle, explique Barbara Terhal, physicienne théoricienne à QuTech, un institut de recherche quantique à l’Université de technologie de Delft aux Pays-Bas. Cependant, cela ne garantit pas que ces plateformes resteront en tête.

La quête des qubits

Les ordinateurs quantiques promettent de résoudre des problèmes hors de portée des machines classiques en exploitant des phénomènes tels que la superposition quantique, dans laquelle un objet peut exister dans deux états simultanés tournant dans le sens des aiguilles d’une montre et dans le sens inverse des aiguilles d’une montre, par exemple. Les physiciens appellent ces états qubits pour les distinguer des bits ordinaires, qui ne peuvent être que 0 ou 1.

Les états quantiques sont notoirement fragiles. Dans un ordinateur quantique, les informations qu’ils transportent et qui peuvent s’étendre sur plusieurs qubits pour former des états intriqués ont tendance à se dégrader ou à se perdre au fur et à mesure qu’un calcul progresse. Pour préserver les états le plus longtemps possible, les qubits doivent être maintenus isolés de l’environnement. Mais ils ne peuvent pas être trop isolés les uns des autres car ils doivent interagir pour effectuer des calculs.

La course aux ordinateurs quantiques s’intensifie à mesure que la technologie alternative prend de l’ampleur

Ceci, entre autres facteurs, rend difficile la construction d’un ordinateur quantique utile. Mais le domaine est allé plus loin que ce que le directeur de recherche de QuTech, Lieven Vandersypen, aurait imaginé il y a dix ans. Les progrès sont vraiment impressionnants.

Google a fait la une des journaux en 2019 lorsqu’il a affirmé qu’une machine composée de 54 qubits supraconducteurs avait effectué le premier calcul quantique qui aurait pris incroyablement longtemps sur un ordinateur classique, une réalisation que les chercheurs appellent l’avantage quantique. La société technologique IBM, qui a beaucoup investi dans les qubits supraconducteurs, s’attend à franchir une étape importante dans les prochains mois, lorsqu’elle dévoilera une puce quantique nommée Condor, la première à franchir la barrière des 1 000 qubits.

En novembre dernier, la société a annoncé sa puce précédente, l’Osprey à 433 qubits, une suite à l’Eagle à 127 qubits, qui a établi un record en 2021. Nous voulions vraiment établir une feuille de route comme vous l’attendriez de l’industrie des semi-conducteurs, dit Jerry Chow, qui dirige le programme d’ordinateur quantique au centre de recherche IBM Thomas J. Watson à Yorktown Heights, New York.

Qualité et quantité

Chow dit que l’objectif d’IBM n’est pas seulement d’augmenter le nombre de qubits, mais aussi d’améliorer leur qualité. Certains des éléments supraconducteurs de la société peuvent conserver leurs états quantiques pendant plus de 300 microsecondes, selon lui, un record pour la technologie. Dans une autre mesure cruciale, 99,9 % des opérations impliquant deux qubits sont désormais sans erreur.

Au-delà de la suprématie quantique : la chasse aux ordinateurs quantiques utiles

La mise à l’échelle devient impossible une fois que le nombre de qubits supraconducteurs sur une puce dépasse largement 1 000, car chaque qubit doit être câblé individuellement à des circuits externes pour le contrôle et la lecture. IBM adoptera donc une approche modulaire. À partir de 2024, chaque étape supplémentaire de sa feuille de route visera non pas à augmenter le nombre de qubits sur une puce, mais à relier plusieurs puces en une seule machine, ce qui n’est pas simple si la connexion doit transporter les états quantiques indemnes ou aider à enchevêtrer les qubits sur des puces séparées. Les puces sont au cœur d’engins massifs enfermés dans des systèmes cryogéniques qui maintiennent les puces proches de 0 kelvin.

Les ordinateurs à ions piégés pourraient avoir des contraintes de taille encore plus strictes que les ordinateurs supraconducteurs, en partie parce qu’ils nécessitent un dispositif laser séparé pour contrôler chaque ion. En règle générale, cela signifiait limiter les pièges à des rangées d’environ 32 ions par puce. Mais IonQ, une start-up issue de l’Université du Maryland à College Park, affirme que son approche lui permet de regrouper plusieurs rangées d’ions dans une seule puce, atteignant peut-être jusqu’à 1 024 qubits. Pour aller au-delà, IonQ prévoit également de passer à une approche modulaire, en connectant plusieurs puces. Dans des expériences en laboratoire, les ions piégés ont atteint des fidélités aussi élevées que 99,99 %, selon un porte-parole de la société.

Technologie de la pince à épiler

Une autre technique qui, jusqu’à il y a quelques années, était à peine sur le radar pourrait bientôt franchir également la barrière des 1 000 qubits. Il piège les atomes neutres à l’aide de faisceaux laser étroitement focalisés, appelés pinces optiques, et code les qubits dans les états électroniques des atomes ou dans les spins des noyaux des atomes (voir pinces laser). L’approche s’est développée progressivement pendant plus d’une décennie, mais elle est maintenant en plein essor, explique Giulia Semeghini, physicienne à l’Université Harvard de Cambridge, dans le Massachusetts.

Pour assembler plusieurs qubits, les physiciens divisent un seul faisceau laser en plusieurs, par exemple en le faisant passer à travers un écran constitué de cristaux liquides. Cela peut créer des réseaux de centaines de pincettes, chacune emprisonnant son propre atome. Les atomes sont généralement à quelques micromètres de leurs voisins, où ils peuvent persister dans un état quantique pendant plusieurs secondes ou plus. Pour faire interagir les atomes, les physiciens pointent un laser séparé sur l’un d’eux pour le chatouiller dans un état excité, dans lequel un électron externe orbite beaucoup plus loin du noyau que la normale. Cela renforce les interactions électrostatiques des atomes avec un voisin.

À l’aide de pincettes, les chercheurs ont construit des réseaux de plus de 200 atomes neutres, et ils combinent rapidement des techniques nouvelles et existantes pour les transformer en ordinateurs quantiques pleinement fonctionnels.

L’un des principaux avantages de la technique est que les physiciens peuvent combiner plusieurs types de pincettes, dont certaines peuvent se déplacer rapidement avec les atomes qu’elles transportent. Chaque fois que vous voulez que deux d’entre eux interagissent, vous les réunissez, explique le physicien de Harvard Dolev Bluvstein. Cela rend la technique plus flexible que d’autres plates-formes telles que les supraconducteurs, dans lesquelles chaque qubit ne peut interagir qu’avec ses voisins directs sur la puce. Une équipe comprenant Semeghini et Bluvstein a démontré cette flexibilité dans un article d’avril 2022¹.

Les qubits basés sur des pincettes devraient bientôt être exempts d’erreurs à 99%, bien que d’autres améliorations nécessiteront un travail substantiel, déclare Semeghini.

Le rythme d’amélioration des atomes neutres a surpris la communauté de l’informatique quantique. La voie à suivre pour passer à des milliers de qubits atomiques est claire et se produira probablement d’ici deux ans, déclare le physicien Chao-Yang Lu de l’Université des sciences et technologies de Chine (USTC) à Hefei.

Contrôle de l’essorage

D’autres technologies qubit en sont encore à leurs balbutiements, mais progressent régulièrement. Une méthode code des informations dans le spin d’électrons individuels piégés par des champs électriques à l’intérieur de semi-conducteurs conventionnels tels que le silicium. L’année dernière, Vandersypen et ses collaborateurs ont fait la démonstration d’une machine à six qubits de ce type entièrement fonctionnelle.². Comme dans le cas des pincettes optiques, les spins des électrons peuvent être déplacés autour de l’appareil pour les rapprocher des autres à la demande. Mais tout comme les autres types de qubits, une difficulté majeure est d’empêcher les spins de s’influencer alors qu’ils ne sont pas censés le faire, dans ce que les physiciens appellent la diaphonie.

Le réseau quantique est un pas vers l’internet ultrasécurisé

L’avantage des qubits à base de semi-conducteurs serait la possibilité de fabriquer des puces dans le même type d’usine où les puces informatiques actuelles sont produites, bien qu’une équipe dirigée par la physicienne Michelle Simmons de l’Université de New South Wales à Sydney, en Australie, assemble les dispositifs. atome par atome à l’aide de la pointe d’un microscope à effet tunnel automatisé. Tout est modelé avec une précision inférieure au nanomètre, dit-elle.

Une autre approche encore est encore au stade de la conception, mais elle a fait l’objet d’importants investissements, notamment de la part de Microsoft. La technique vise à exploiter les états topologiques pour rendre les qubits robustes à la dégradation, tout comme une corde nouée qui peut être tordue et tirée mais pas déliée. En 2020, les chercheurs ont observé le mécanisme physique de base d’un type de protection topologique, et ils travaillent actuellement à la démonstration des premiers qubits topologiques.

Chaque plate-forme poursuivie aujourd’hui est prometteuse, mais son développement peut nécessiter des idées vraiment nouvelles que vous ne pouvez pas prévoir, déclare Vandersypen. Pan Jian-Wei, un physicien qui travaille sur plusieurs approches d’informatique quantique à l’USTC, est d’accord. S’agissant de la course au développement des ordinateurs quantiques, il est encore trop tôt pour dire quel candidat l’emportera.