Les systèmes quantiques apprennent l’informatique conjointe –

Les ordinateurs quantiques d’aujourd’hui contiennent jusqu’à plusieurs dizaines d’unités de mémoire et de traitement, les soi-disant qubits. Severin Daiss, Stefan Langenfeld et leurs collègues de l’Institut Max Planck d’optique quantique de Garching ont interconnecté avec succès deux de ces qubits situés dans différents laboratoires à un ordinateur quantique distribué en reliant les qubits à une fibre optique de 60 mètres de long. Sur une telle distance, ils ont réalisé une porte de logique quantique – la pierre angulaire d’un ordinateur quantique. Cela fait du système le premier prototype au monde d’un ordinateur quantique distribué.

Les limites des architectures de qubit précédentes

Les ordinateurs quantiques sont considérablement différents des ordinateurs “binaires” traditionnels: on s’attend à ce que leurs réalisations futures effectuent facilement des calculs spécifiques pour lesquels les ordinateurs traditionnels prendraient des mois, voire des années – par exemple dans le domaine du cryptage et du décryptage des données. Alors que les performances des ordinateurs binaires résultent de mémoires volumineuses et de cycles de calcul rapides, le succès de l’ordinateur quantique repose sur le fait qu’une seule unité de mémoire – un bit quantique, également appelé «qubit» – peut contenir des superpositions de différentes valeurs possibles à la fois. Par conséquent, un ordinateur quantique ne calcule pas seulement un résultat à la fois, mais à la place de nombreux résultats possibles en parallèle. Plus il y a de qubits interconnectés dans un ordinateur quantique; les calculs plus complexes qu’il peut effectuer.

Les opérations informatiques de base d’un ordinateur quantique sont des portes de logique quantique entre deux qubits. Une telle opération change – en fonction de l’état initial des qubits – leurs états de mécanique quantique. Pour qu’un ordinateur quantique soit supérieur à un ordinateur normal pour divers calculs, il devrait interconnecter de manière fiable plusieurs dizaines, voire des milliers de qubits pour également des milliers d’opérations quantiques. Malgré de grands succès, tous les laboratoires actuels ont encore du mal à construire un ordinateur quantique aussi grand et fiable, car chaque qubit supplémentaire requis rend beaucoup plus difficile la construction d’un ordinateur quantique en une seule configuration. Les qubits sont mis en œuvre, par exemple, avec des atomes uniques, des éléments supraconducteurs ou des particules légères, qui doivent tous être parfaitement isolés les uns des autres et de l’environnement. Plus les qubits sont disposés les uns à côté des autres, plus il est difficile à la fois de les isoler et de les contrôler de l’extérieur en même temps.

Ligne de données et unité de traitement combinées

Une façon de surmonter les difficultés techniques dans la construction des ordinateurs quantiques est présentée dans une nouvelle étude de la revue Science par Severin Daiss, Stefan Langenfeld et collègues du groupe de recherche de Gerhard Rempe au Max Planck Institute of Quantum Optics à Garching. Dans ce travail soutenu par l’Institut des sciences photoniques (Castelldefels, Espagne), l’équipe a réussi à connecter deux modules qubits sur une distance de 60 mètres de manière à former efficacement un ordinateur quantique de base à deux qubits. «Sur cette distance, nous effectuons une opération de calcul quantique entre deux configurations de qubit indépendantes dans différents laboratoires», souligne Daiss. Cela permet de fusionner des ordinateurs quantiques plus petits en une unité de traitement commune.

Le simple couplage de qubits distants pour générer un enchevêtrement entre eux a été réalisé dans le passé, mais maintenant, la connexion peut également être utilisée pour des calculs quantiques. À cette fin, les chercheurs ont utilisé des modules constitués d’un seul atome en tant que qubit placé au milieu de deux miroirs. Entre ces modules, ils envoient un seul quanta de lumière, un photon, qui est transporté dans la fibre optique. Ce photon est alors intriqué avec les états quantiques des qubits dans les différents modules. Par la suite, l’état de l’un des qubits est modifié en fonction de l’état mesuré du «photon ancilla», réalisant une opération CNOT de mécanique quantique avec une fidélité de 80%. Une prochaine étape serait de connecter plus de deux modules et d’héberger plus de qubits dans les modules individuels.

Ordinateurs quantiques plus performants grâce au calcul distribué

Le chef d’équipe et directeur de l’institut, Gerhard Rempe, estime que le résultat permettra de faire progresser la technologie: “Notre projet ouvre une nouvelle voie de développement pour l’informatique quantique distribuée.” Cela pourrait permettre, par exemple, de construire un ordinateur quantique distribué composé de nombreux modules avec peu de qubits qui sont interconnectés avec la méthode nouvellement introduite. Cette approche pourrait contourner la limitation des ordinateurs quantiques existants pour intégrer plus de qubits dans une seule configuration et pourrait donc permettre des systèmes plus puissants.

Source de l’histoire:

Matériaux fourni par Max-Planck-Gesellschaft. Remarque: le contenu peut être modifié pour le style et la longueur.