NXP, l’équipe du Centre aérospatial allemand sur l’informatique quantique

L’une des tâches les plus complexes auxquelles sont confrontés les chercheurs en informatique quantique est la réalisation physique du bit quantique. Une technique de mise en œuvre de qubit basée sur des ions piégés – des atomes qui ont perdu un ou plusieurs de leurs électrons – s’est révélée prometteuse en laboratoire et est poursuivie par NXP Semiconductors en partenariat avec le Centre aérospatial allemand (Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt, ou DLR) et autres.

Le DLR a attribué des contrats pour l’avancement de la technologie des pièges à ions afin de permettre des prototypes d’ordinateurs quantiques d’ici quatre ans. Selon le DLR, d’ici la fin des projets, des ordinateurs quantiques basés sur la technologie des pièges à ions avec au moins 50 qubits seront disponibles, rapprochant l’industrie de l’objectif d’ordinateurs quantiques programmables et tolérants aux pannes qui prendront en charge les avancées technologiques dans le domaine. l’énergie, l’automobile, le gouvernement, l’aérospatiale et d’autres secteurs d’infrastructure clés.

Implémenter un qubit

Les qubits sont l’équivalent quantique des 1 et des 0 qui régissent le fonctionnement des calculatrices numériques traditionnelles. Alors qu’un bit ne peut représenter que deux états, 0 et 1, le qubit a certaines propriétés qui lui permettent de stocker et de traiter plus d’informations. Ceux-ci incluent la superposition et l’enchevêtrement. La superposition permet à un qubit d’être dans un état intermédiaire – une sorte de combinaison pondérée entre 0 et 1. Avec l’intrication, plusieurs qubits peuvent partager un état quantique commun.

Les ions constituent une forme naturelle de qubits, car deux des niveaux d’énergie discrets de leurs électrons restants peuvent être utilisés pour représenter un 0 ou un 1. Pour tirer parti de cette propriété pour l’informatique quantique, il est nécessaire de piéger les ions dans un espace tridimensionnel et d’utiliser faisceaux laser pour les stabiliser et acquérir leur état. Parmi les matériaux couramment utilisés à cet effet figure l’ytterbium (Yb), une terre rare dotée d’une haute immunité aux agents extérieurs, ce qui lui permet de maintenir un état stable pendant de longues périodes. Grâce à cette robustesse, les ions Yb piégés permettent des taux d’erreur beaucoup plus faibles que tout autre type de technologie qubit.

La seule différence entre un atome d’ytterbium neutre et un ion d’ytterbium est un seul électron, qui est éliminé par la technologie laser au cours du processus de piégeage (également appelé ionisation). L’ion Yb + résultant a une charge électrique positive et un seul électron de valence. Outre le laser, les ondes radio ou les micro-ondes peuvent être utilisées pour modifier l’état des atomes chargés (ions) afin qu’ils deviennent des qubits.

Avant de pouvoir être utilisés pour le calcul, les qubits doivent subir deux opérations : le refroidissement et la préparation de l’état. En amenant les ions piégés à des températures très basses (proche de zéro Kelvin), le nombre de particules pouvant créer du bruit et interférer avec les ions du qubit est considérablement réduit. Et avant d’effectuer un calcul, les qubits doivent être amenés dans un état bien défini, équivalent au 0 logique.

Figure 1 montre la puce de dernière génération construite par IonQ, un piège à ions linéaire conçu pour maintenir un ion piégé en permanence dans l’espace 3D. Cette petite puce comporte environ 100 minuscules électrodes spécialement conçues, lithographiées et contrôlées pour produire des forces électromagnétiques qui maintiennent chaque ion en place, isolé de l’environnement. De cette manière, le bruit ambiant et la décohérence sont minimisés.

Applications pour l’informatique quantique

Les ordinateurs quantiques sont encore difficiles à construire, nécessitent des niveaux de compétence élevés et nécessitent un développement plus poussé du processus d’industrialisation. Néanmoins, le développement progresse rapidement, alimenté par la promesse de ces machines sophistiquées de résoudre des problèmes mathématiques et physiques très complexes qui, dans certains cas, se sont révélés insolubles. Cette capacité peut bénéficier à la société de diverses manières, telles que l’amélioration des calculs de modèles pour la mobilité et la logistique, le développement accéléré de médicaments et de vaccins et des mesures de cybersécurité renforcées. Mais l’informatique quantique peut également être utile pour résoudre des problèmes pratiques et quotidiens, comme permettre des prévisions météorologiques qui prédisent avec précision les conditions futures, améliorer les systèmes d’intelligence artificielle utilisés aujourd’hui et concevoir des approches de cybersécurité plus avancées.

La cyber-sécurité

Le jour où les ordinateurs quantiques seront largement adoptés, l’industrie de la cybersécurité subira inévitablement des effets à la fois positifs et négatifs. Les hackers et black hats auront à leur disposition des outils informatiques avec une capacité de calcul suffisante pour porter atteinte à la sécurité des algorithmes cryptographiques actuels (en utilisant par exemple des méthodes telles que la force brute). D’autre part, la cybersécurité pourrait être renforcée avec la mise en place de nouveaux algorithmes de chiffrement quantique qui seraient bien plus sûrs et difficiles à attaquer que les actuels.

Intelligence artificielle

Les ordinateurs quantiques pourraient apporter une contribution précieuse au développement d’algorithmes d’apprentissage automatique, favorisant l’évolution de l’intelligence artificielle. La capacité des systèmes quantiques à analyser d’énormes quantités de données en peu de temps permettra aux algorithmes d’apprentissage automatique d’être alimentés avec une plus grande quantité d’informations, raccourcissant ainsi la courbe d’apprentissage.

Médicaments

L’apprentissage automatique et les algorithmes d’IA peuvent également être utilisés dans la recherche de médicaments nouveaux et plus efficaces, y compris les vaccins. En mettant en œuvre des modèles et des simulations avancés, les ordinateurs quantiques pourront aider les scientifiques à étudier les interactions entre les molécules, les protéines et les produits chimiques. Cela aidera les chercheurs à évaluer l’efficacité des nouveaux composés chimiques, accélérant potentiellement les étapes d’analyse des nouveaux médicaments.

En remplaçant les superordinateurs actuels, les ordinateurs quantiques pourraient effectuer le séquençage et l’étude de l’ADN en très peu de temps, permettant le développement de médicaments plus spécifiques et adaptés à notre patrimoine génétique.

Analyse climatique

Le degré de fiabilité des prévisions météorologiques actuelles dépend fortement de la capacité à effectuer des simulations et des modèles complexes en peu de temps. Les ordinateurs quantiques pourraient permettre des prévisions météorologiques plus précises et à plus long terme et fournir une vision plus large de la situation climatique générale, y compris l’impact de l’activité humaine sur l’environnement dans le contexte du changement climatique.

Projets de développements

Dans le cadre des travaux de développement de la technologie de piège à ions annoncés par le DLR, NXP et d’autres partenaires, un modèle de démonstration de 10 qubits sera fourni dans le cadre d’une initiative initiale par un consortium composé de Parity Quantum Computing Germany (Munich), eleQtron (Numansdorp , Pays-Bas) et NXP Semiconductors Germany (Hambourg), dont les opérations devraient débuter fin 2023. Grâce à cet ordinateur quantique, les utilisateurs pourront approfondir leurs connaissances sur les systèmes de pièges à ions.

La construction de prototypes d’ordinateurs quantiques avec au moins 50 qubits entièrement fonctionnels sur un semi-conducteur est au centre de deux autres projets. Chaque entreprise crée son propre système, notamment Universal Quantum Deutschland (Düsseldorf), Qudora Technologies (Braunschweig) et NXP Semiconductors Germany. En raison de l’évolutivité des puces en cours de développement, le nombre de qubits et la puissance de traitement peuvent être augmentés. S’assurer que la puce peut réparer les erreurs est l’un des domaines d’étude, car la susceptibilité aux erreurs est considérée comme l’un des plus grands obstacles de l’informatique quantique. Tous les projets d’ordinateurs quantiques basés sur la technologie des pièges à ions seront évolutifs.

La création d’une architecture d’ordinateur quantique universelle implique la mise en réseau de plusieurs processeurs. Cette architecture a une caractéristique unique en ce que chaque module est un processeur quantique miniature avec 10 qubits. Plus tard, cette structure s’étendra pour inclure de nombreuses puces avec des milliers de qubits.

Pour obtenir ces résultats ambitieux, NXP s’appuiera sur son expertise en matière de semi-conducteurs pour aider à construire des ordinateurs quantiques basés sur des pièges à ions en collaboration avec le DLR et d’autres partenaires. Les éléments matériels nécessaires à l’intégration des ordinateurs quantiques dans les environnements informatiques conventionnels, ainsi que la technologie des capteurs de détection de photons et un boîtier cryogéniquement adapté à la lecture des états quantiques, seront fournis par NXP.

Pour faciliter une collaboration étroite entre les organisations impliquées, le centre d’innovation DLR est situé sur le site de NXP à Hambourg, en Allemagne, et devrait ouvrir ses portes au premier trimestre 2023.

Les partenaires de NXP

NXP travaille avec des leaders reconnus dans le domaine de l’informatique quantique pour aider à réaliser ces avancées révolutionnaires. NXP combinera ses connaissances avec celles d’eleQtron, ParityQC, Qudora Technologies, l’Université technique de Hambourg et d’autres pour permettre des progrès rapides dans l’informatique quantique et contribuer à la publication rapide de solutions évolutives et commercialisables.

Qudora Technologies

Enracinée dans l’écosystème de Quantum Valley Basse-Saxe (QVLS), Qudora Technologies est une spin-off de haute technologie de la Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB), de l’Université de technologie de Braunschweig et de l’Université Leibniz de Hanovre. La startup utilise une technique évolutive de porte quantique sans laser pour créer des ordinateurs quantiques à ions piégés basés sur des processeurs quantiques hautement intégrés. L’objectif de Qudora est de mettre en commun les talents de recherche quantique de la région pour construire un ordinateur quantique pratique avec au moins 50 bits quantiques. En plus de créer ses propres processeurs quantiques, elle fournit à des tiers des services de fonderie pour la microfabrication.

Qudora Technologies se concentre sur une méthode sans laser pour la manipulation cohérente des qubits en utilisant des champs magnétiques oscillants générés par une antenne intégrée à l’intérieur du processeur pour augmenter l’évolutivité. Il créera un ordinateur quantique complet commercial avec une interface utilisateur conviviale, un accès au cloud et un support client basé sur des processeurs quantiques de pointe. Figure 2 montre une plaquette de 3 pouces avec des processeurs quantiques microfabriqués basés sur la technologie des ions piégés.

Parité QC

L’architecture, les algorithmes et le système d’exploitation du projet DLR sont développés par la société d’architecture quantique ParityQC. L’objectif principal de ParityQC est de créer des systèmes d’exploitation et des plans pour les ordinateurs quantiques. La société collabore avec des partenaires matériels du monde entier pour développer des ordinateurs quantiques pour une variété d’utilisations, y compris l’informatique quantique à correction d’erreurs à usage général, et pour résoudre les problèmes d’optimisation sur les dispositifs quantiques à échelle intermédiaire bruyants (NISQ). Le système d’exploitation ParityQC, ParityOS, donne aux utilisateurs un accès cloud à tous les avantages de sa conception. Il utilise son compilateur pour résoudre les problèmes d’optimisation pertinents pour l’industrie beaucoup plus rapidement qu’il ne serait possible avec les méthodes actuellement acceptées.

eleQtron

Fondée en 2020, eleQtron est une spin-off du département d’optique quantique de l’Université de Siegen. Les ordinateurs quantiques basés sur des pièges à ions sont développés, produits, exécutés et commercialisés en tant que temps de calcul par eleQtron. Le fabricant d’ordinateurs quantiques continue de produire des machines quantiques plus puissantes et de les connecter au cloud. Le concept unique développé par eleQtron, appelé MAGIC (pour Magnetic Gradient Induced Coupling), permet de contrôler des qubits avec des micro-ondes. Par rapport au contrôle laser des qubits, cette technologie est non seulement beaucoup plus précise, mais aussi beaucoup plus durable. Il est également superbement évolutif.

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