Comment un simple cristal pourrait aider à ouvrir la voie à l’informatique quantique à grande échelle

Développement de vaccins et de médicaments, intelligence artificielle, transport et logistique, science du climat – ce sont tous des domaines qui risquent d’être transformés par le développement d’un ordinateur quantique à grande échelle. Et il y a eu croissance explosive en informatique quantique investissement durant la dernière décennie.

Pourtant, les processeurs quantiques actuels sont relativement petits, avec moins de 100 qubits — les éléments de base d’un ordinateur quantique. Les bits sont la plus petite unité d’information en informatique, et le terme qubits provient de « bits quantiques ».

Alors que les premiers processeurs quantiques ont été cruciaux pour démontrer le potentiel de l’informatique quantique, la réalisation d’applications d’importance mondiale nécessitera probablement des processeurs dotés de plus d’un million de qubits.

Nos nouvelles recherches s’attaquent à un problème central au cœur de la mise à l’échelle des ordinateurs quantiques : comment passer du contrôle de quelques qubits au contrôle de millions ? Dans la recherche publié aujourd’hui dans Science Advances, nous révélons une nouvelle technologie qui peut offrir une solution.

Qu’est-ce qu’un ordinateur quantique exactement ?

Les ordinateurs quantiques utilisent des qubits pour conserver et traiter les informations quantiques. Contrairement aux bits d’information des ordinateurs classiques, les qubits utilisent les propriétés quantiques de la nature, appelées « superposition » et « intrication », pour effectuer certains calculs beaucoup plus rapidement que leurs homologues classiques.

Contrairement à un bit classique, qui est représenté par 0 ou 1, un qubit peut exister dans deux états (c’est-à-dire 0 et 1) en même temps. C’est ce que nous appelons un état de superposition.

Démonstrations par Google et autres ont montré que même les ordinateurs quantiques actuels à un stade précoce peuvent surpasser les superordinateurs les plus puissants de la planète pour une tâche hautement spécialisée (bien que pas particulièrement utile) – atteindre un jalon que nous appelons la suprématie quantique.

L’ordinateur quantique de Google, construit à partir de circuits électriques supraconducteurs, n’avait que 53 qubits et était refroidi à une température proche de -273℃ dans un réfrigérateur de haute technologie. Cette température extrême est nécessaire pour évacuer la chaleur, ce qui peut introduire des erreurs sur les qubits fragiles. Bien que de telles démonstrations soient importantes, le défi consiste maintenant à construire des processeurs quantiques avec beaucoup plus de qubits.

Des efforts importants sont en cours à l’UNSW Sydney pour fabriquer des ordinateurs quantiques à partir du même matériau utilisé dans les puces informatiques de tous les jours : le silicium. Une puce de silicium conventionnelle est de la taille d’une miniature et contient plusieurs milliards de bits. La perspective d’utiliser cette technologie pour construire un ordinateur quantique est donc convaincante.

Le problème du contrôle

Dans les processeurs quantiques au silicium, les informations sont stockées dans des électrons individuels, qui sont piégés sous de petites électrodes à la surface de la puce. Plus précisément, le qubit est codé dans l’électron tournoyer. Il peut être représenté comme une petite boussole à l’intérieur de l’électron. L’aiguille de la boussole peut pointer vers le nord ou le sud, ce qui représente les états 0 et 1.

Pour définir un qubit dans un état de superposition (tous deux 0 et 1), une opération qui se produit dans tous les calculs quantiques, un signal de contrôle doit être dirigé vers le qubit souhaité. Pour les qubits dans le silicium, ce signal de contrôle se présente sous la forme d’un champ hyperfréquence, un peu comme ceux utilisés pour acheminer les appels téléphoniques sur un réseau 5G. Les micro-ondes interagissent avec l’électron et font tourner son spin (aiguille de la boussole).

Actuellement, chaque qubit nécessite son propre champ de contrôle hyperfréquence. Il est livré à la puce quantique via un câble allant de la température ambiante jusqu’au bas du réfrigérateur à près de -273℃. Chaque câble apporte de la chaleur, qui doit être retirée avant d’atteindre le processeur quantique.

À environ 50 qubits, ce qui est l’état de l’art aujourd’hui, c’est difficile mais gérable. La technologie actuelle des réfrigérateurs peut supporter la charge thermique du câble. Cependant, cela représente un énorme obstacle si nous voulons utiliser des systèmes avec un million de qubits ou plus.

La solution est le contrôle « global »

Une solution élégante au défi de fournir des signaux de contrôle à des millions de qubits de spin a été proposé à la fin des années 90. L’idée du « contrôle global » était simple : diffuser un seul champ de contrôle micro-onde sur l’ensemble du processeur quantique.

Des impulsions de tension peuvent être appliquées localement aux électrodes de qubit pour faire interagir les qubits individuels avec le champ global (et produire des états de superposition).

Il est beaucoup plus facile de générer de telles impulsions de tension sur puce que de générer plusieurs champs micro-ondes. La solution ne nécessite qu’un seul câble de commande et supprime les circuits de commande micro-ondes intrusifs sur puce.

Pendant plus de deux décennies, le contrôle global des ordinateurs quantiques est resté une idée. Les chercheurs n’ont pas pu concevoir une technologie appropriée qui pourrait être intégrée à une puce quantique et générer des champs micro-ondes à des puissances suffisamment faibles.

Dans nos travaux, nous montrons qu’un composant appelé résonateur diélectrique pourrait enfin permettre cela. Le résonateur diélectrique est un petit cristal transparent qui piège les micro-ondes pendant une courte période.

Le piégeage des micro-ondes, un phénomène connu sous le nom de résonance, leur permet d’interagir plus longtemps avec les qubits de spin et réduit considérablement la puissance des micro-ondes nécessaires pour générer le champ de contrôle. Cela était vital pour faire fonctionner la technologie à l’intérieur du réfrigérateur.

Dans notre expérience, nous avons utilisé le résonateur diélectrique pour générer un champ de contrôle sur une zone pouvant contenir jusqu’à quatre millions de qubits. La puce quantique utilisée dans cette démonstration était un appareil à deux qubits. Nous avons pu montrer que les micro-ondes produites par le cristal pouvaient inverser l’état de spin de chacun.

Le chemin vers un ordinateur quantique à grande échelle

Il y a encore du travail à faire avant que cette technologie soit à la hauteur de la tâche de contrôler un million de qubits. Pour notre étude, nous avons réussi à inverser l’état des qubits, mais pas encore à produire des états de superposition arbitraires.

Des expériences sont en cours pour démontrer cette capacité critique. Nous devrons également approfondir l’étude de l’impact du résonateur diélectrique sur d’autres aspects du processeur quantique.

Cela dit, nous pensons que ces défis d’ingénierie seront finalement surmontables – éliminant l’un des plus grands obstacles à la réalisation d’un ordinateur quantique à grande échelle basé sur le spin.

Cet article de Jarryd Pla, Maître de Conférences en Ingénierie Quantique, UNSW, et Andrew Dzurak, professeur Scientia en ingénierie quantique, UNSW est republié de La conversation sous licence Creative Commons. Lis le article original.