L’informatique quantique reste terriblement hors de portée

L’informatique quantique est l’une des plus passionnantes (et à la mode) des domaines de recherche en ce moment, mais si vous demandez à un scientifique à quelle distance les ordinateurs quantiques sont de le faire, vous obtiendrez la réponse du scientifique classique dans cinq à 10 ans.

Donc, si une nouvelle réalité quantique est encore potentiellement dans une décennie, à quelle distance sommes-nous de la technologie quantique personnelle dans notre ordinateur ou notre ordinateur portable ?

Bien qu’il reste encore de très gros obstacles à surmonter en informatique quantique, certains groupes de recherche connectent déjà de très petits processeurs quantiques à des ordinateurs traditionnels, et l’avenir (autant d’années que possible) semble brillant.

Avec l’informatique quantique, vous exploitez un phénomène physique autrement inexploité, déclare le Dr Andrew Horsley, PDG de Quantum Brilliance, une équipe australienne travaillant sur la technologie quantique à base de diamant.

La dernière fois que nous l’avons fait, c’était l’électricité, c’est un changement assez important dans les fondements technologiques de la société.

L’une des raisons pour lesquelles l’informatique quantique a été si difficile à démarrer est que l’architecture qui la supporte devait être entièrement construite à partir de zéro.

Les ordinateurs quantiques effectuent des calculs en utilisant des qubits, l’équivalent quantique des bits de calcul. Mais au lieu d’être activé ou désactivé (0 ou 1 en binaire), le qubit peut être dans un mélange de 0 et 1. Imaginez un qubit comme un globe ou un atome en rotation où l’état du qubit est un point sur le globe créant un mélange entre 0 et 1 en longitude et en latitude.

Malheureusement, le prix de l’ajout de quantum à ces bits fait beaucoup plus de place aux variations aléatoires du bruit qui peuvent modifier la valeur du résultat. Sans correction d’erreur spécialisée, cela peut signifier que le qubit fournit la mauvaise valeur. Même la démonstration de suprématie quantique de 2019 par Google était à 99 % de bruit et à seulement 1 % de signal.

Bien que nos systèmes s’améliorent lentement au fil du temps, nous étions encore dans ce que l’on appelle l’ère quantique bruyante à l’échelle intermédiaire. Cela signifie que bien que nous ayons la technologie pour construire des systèmes allant jusqu’à quelques centaines de qubits, les systèmes sont toujours incroyablement sensibles à leur environnement et peuvent perdre leur cohérence après seulement quelques secondes de travail.

Les matériaux physiques réels utilisés pour fabriquer des ordinateurs quantiques n’aident pas du tout.

Dans un système classique, les disques durs sont constitués de mémoire magnétique, et le matériau magnétique a la propriété de conserver une mémoire de son état pendant longtemps. La nature fait en fait beaucoup de corrections d’erreurs pour nous gratuitement, explique Tom Stace, le Directeur adjoint de l’ARC Center of Excellence in Engineered Quantum Systems dans le Queensland.

Pour les ordinateurs quantiques, nous n’avons pas de substance analogue. Nous n’avons pas quelque chose qui préserve indéfiniment les états quantiques. Donc, nous devons vraiment concevoir quelque chose qui ressemble à un aimant quantique, car une chose capable de stocker indéfiniment des informations quantiques n’existe pas dans la nature sous aucune forme.

Il y a eu plusieurs approches à ce problème.

Des groupes comme IBM et Google utilisent des qubits transmon supraconducteurs faits de matériaux comme le niobium et l’aluminium sur du silicium. Certaines équipes, comme le groupe quantique de l’Université de Nouvelle-Galles du Sud, utilisent des atomes de silicium et de phosphore pour faire de l’informatique quantique à semi-conducteurs, tandis que Quantum Brilliance utilise des atomes d’azote à l’intérieur d’un réseau de diamants pour créer ses qubits à base de diamants.

Chacune de ces technologies a ses avantages et ses inconvénients.

Les qubits supraconducteurs sont mieux développés et plus précis, mais ont toujours des rapports bruit/signal élevés par rapport aux ordinateurs traditionnels. Ces qubits sont également plus facilement capables d’interagir les uns avec les autres, ce qui est un moyen important pour cette technologie d’évoluer. Cependant, cela en fait des machines incroyablement complexes. Comme Stace le décrit, ses qubits sont tout en bas, nécessitant des qubits physiques dans une section pour effectuer la correction des erreurs et des qubits logiques dans une autre zone pour effectuer le calcul proprement dit.

Ensuite, le problème de la température étant un supraconducteur signifie que la machine doit être presque à des températures nulles absolues. Même si vous pouvait Mettez cela dans un ordinateur portable, le coût énergétique pour le faire fonctionner signifie que vous ne le voudriez probablement pas.

Le silicium et le diamant ne sont pas aussi avancés que leurs homologues de supercalcul en matière de correction du bruit et des erreurs, mais ils ont l’avantage de ne pas avoir à être à des températures super froides.

Les qubits de silicium ont récemment atteint une précision de plus de 99 %, ce qui est une étape passionnante. Cela signifie que les chercheurs peuvent commencer à mettre en œuvre la correction d’erreurs de la même manière que le font les qubits supraconducteurs. Mais cette technologie nécessite toujours des températures plus froides et n’a que deux qubits dans un système, il reste donc encore un long chemin à parcourir avant qu’elle ne soit probablement prête pour la fabrication à grande échelle.

Ensuite, il y a les qubits à base de diamant. La technologie elle-même a des problèmes similaires au silicium bien que les qubits de diamant puissent être exécutés à température ambiante, mais Quantum Brilliance est apparemment beaucoup plus avancé, l’équipe devant bientôt fournir une puce quantique au Pawsey Supercomputing Center à Perth.

Le diamant est l’une des technologies quantiques les plus largement utilisées, mais il est principalement utilisé pour la détection, explique Horsley. Sa température ambiante, c’est un système très simple, très performant.

Le défi a été de le mettre à l’échelle au-delà d’une poignée de qubits.

La raison pour laquelle il est difficile de passer à l’échelle est due à la façon particulière dont ils sont fabriqués. Dans un processus connu sous le nom d’implantation de fusil de chasse, des atomes d’azote ou des électrons sont tirés sur un morceau de diamant synthétique pour créer ce qu’on appelle un centre de lacunes d’azote. Le problème est que, malgré les nombreux atomes déclenchés, les chercheurs pourraient n’en obtenir qu’un ou deux au bon niveau pour être utilisés comme qubit.

Au lieu de cela, l’équipe de Diamond Brilliance travaille sur un système dans lequel ils implantent la lacune d’azote, puis cultivent plus de diamants, puis implantent une autre lacune d’azote, et ainsi de suite.

Ils ont de grands projets pour un système de 50 qubits construit de cette manière, ce qui rendrait la technologie utile pour la mise en œuvre avec un ordinateur classique pour accélérer les requêtes sensibles au temps et gourmandes en processeur comme la conversion parole-texte, en particulier là où elle ne le serait pas. être facile d’accéder au cloud et à une puissance de traitement supplémentaire.

Cet objectif est encore loin d’être atteint, mais malgré un nouveau logiciel passionnant pour connecter le système quantique au système classique, la boîte allant au centre de Pawsey n’a que deux qubits solitaires.

La chose vraiment excitante à ce sujet est moins sa puissance de calcul, [and] plus que nous avons pu ensuite prendre un ensemble vraiment complexe de systèmes de table, le mettre dans une boîte et l’expédier à 3 500 kilomètres et l’exécuter dans un centre de supercalcul là-bas, dit Horsley.

Je suis très curieux de savoir quelles sont toutes les choses étranges qui [that will stem from] avoir simplement une boîte dans leurs installations?

Informatique quantique – n’abandonnez pas

Bien qu’il y ait de très grands obstacles technologiques à surmonter avant que l’informatique quantique ne soit susceptible de faire partie de nos vies, Stace et Horsley suggèrent de ne pas mettre de côté les rêves de posséder un ordinateur portable quantique personnel.

Si vous vous remettez dans les années 1940, et que les gens inventaient les premiers ordinateurs numériques sérieux, vous ne pouviez même pas poser la question, aurons-nous un ordinateur portable ? parce que personne ne pourrait même concevoir cela comme une chose à avoir, dit Stace.

Les défis que vous auriez dû anticiper pour résoudre à l’époque seraient en quelque sorte inconcevables, mais néanmoins, nous l’avons résolu 80 ans plus tard. Je pense que tout est possible.