Au cours des dernières années, le développement de l’informatique quantique a subi un essor considérable, et de nombreuses étapes technologiques d’importance ont été franchies. Cependant, un problème demeure : le nombre de qubits utilisables reste fortement contraint par les systèmes de contrôle électronique employés ; ces derniers étant généralement volumineux et produisant une chaleur difficilement conciliable avec l’environnement quantique des qubits. Toutefois, une équipe de chercheurs pourrait avoir résolu une partie du problème en développant une puce cryogénique capable d’assurer la gestion électronique des qubits à des températures proches du zéro absolu. Des chercheurs australiens ont dévoilé une invention saluée comme « le premier pic décent » dans la « ruée vers l'or » pour développer de grands ordinateurs quantiques. Ce dispositif ouvre potentiellement la porte aux ordinateurs quantiques avec des milliers de qubits - les éléments de base de l'informatique quantique - alors que les modèles actuels les plus avancés en ont quelques dizaines. Ce système cryogénique, appelé "Gooseberry", pourrait, à son tour, conduire à des avancées scientifiques qui se traduiraient par de meilleurs médicaments ou des modèles plus précis du climat et du système financier.
« Les plus grands ordinateurs quantiques du monde fonctionnent actuellement avec une cinquantaine de qubits seulement », explique le physicien quantique David Reilly, de l'Université de Sydney et du laboratoire quantique de Microsoft, selon un article publié sur le site du centre d'excellence du Conseil australien de la recherche pour les systèmes quantiques. « Cette petite échelle est en partie due aux limites de l'architecture physique qui contrôle les qubits ».
Cette architecture physique est contrainte en raison des conditions extrêmes dont les qubits ont besoin pour effectuer des calculs de mécanique quantique. Contrairement aux bits binaires des ordinateurs traditionnels, qui prennent la valeur 0 ou 1, les qubits occupent ce que l'on appelle la superposition quantique - un état non défini et non mesuré qui peut effectivement représenter à la fois 0 et 1 dans le contexte d'une opération mathématique plus large.
Ce principe ésotérique de la mécanique quantique signifie que les ordinateurs quantiques peuvent théoriquement résoudre des problèmes mathématiques extrêmement complexes auxquels les ordinateurs classiques ne seraient jamais en mesure de répondre (ou qu'il faudrait des années pour essayer). Comme pour la technologie classique, cependant, plus est toujours mieux, et jusqu'à présent, les chercheurs ont été limités dans le nombre de qubits qu'ils ont pu déployer avec succès dans les systèmes quantiques.
L'une des raisons en est que les qubits ont besoin de niveaux de froid extrêmes pour fonctionner (en plus d'autres conditions contrôlées), et que le câblage électrique utilisé dans les systèmes informatiques quantiques actuels produit inévitablement des niveaux de chaleur faibles, mais suffisants qui perturbent les exigences thermiques. Les scientifiques cherchent des moyens de contourner ce problème. Jusqu'à présent, de nombreuses innovations quantiques ont nécessité la mise au point de câblages encombrants pour maintenir des températures stables afin d'augmenter le nombre de qubits, mais cette solution a ses propres limites.
« Les machines actuelles créent un magnifique réseau de fils pour contrôler les signaux ; ils ressemblent à un nid d'oiseau ou à un lustre doré inversé », a expliqué Reilly. « Ils sont jolis, mais fondamentalement peu pratiques. Cela signifie que nous ne pouvons pas mettre les machines à l'échelle pour effectuer des calculs utiles. Il y a un véritable goulot d'étranglement entre les entrées et les sorties ».
Une puce pouvant fonctionner à de très basses températures pour résoudre le problème de chaleur
La nouvelle recherche, publiée dans la revue Nature Electronics, décrit une nouvelle façon d'aborder l'une des grandes limites de la mise à l'échelle des ordinateurs quantiques : la chaleur. La plupart des ordinateurs quantiques fonctionnent près du zéro absolu, mais doivent également être reliés à une "puce de contrôle" standard qui fonctionne à température ambiante. Ces fils transfèrent des données, mais aussi de la chaleur. Plus le nombre de qubits installés est important, plus il faut de fils pour les contrôler, et la tâche de maintenir les qubits au frais devient plus difficile.
Une équipe d'ingénieurs et de scientifiques de l'Université de Sydney et de Microsoft a réalisé des avancées notables en inventant une puce de contrôle qui peut fonctionner à la même température que les qubits. Leur solution à ce goulot d'étranglement pourrait être le Gooseberry : une puce de contrôle cryogénique qui peut fonctionner à des températures de "millikelvin", juste une minuscule fraction de degré au-dessus du zéro absolu, comme le décrit une nouvelle étude.
« Nous avons levé la barrière qui limitait le nombre de qubits à des dizaines de qubits », a déclaré David Reilly, qui a participé aux recherches. « Au cours des prochaines années, ce type de puces permettra aux machines d'atteindre des milliers de qubits ».
Cette capacité thermique extrême signifie qu'elle peut être placée dans l'environnement réfrigéré super-froid avec les qubits, en interférant avec eux et transmettant les signaux des qubits à un noyau secondaire qui se trouve à l'extérieur dans un autre réservoir extrêmement froid, immergé dans de l'hélium liquide. Ce faisant, il élimine tout le câblage en excès et la chaleur supplémentaire qu'il génère, ce qui signifie que les goulets d'étranglement actuels des qubits dans l'informatique quantique pourraient bientôt appartenir au passé.
« La puce est le système électronique le plus complexe à faire fonctionner à cette température », a expliqué Reilly. « C'est la première fois qu'une puce à signaux mixtes avec 100 000 transistors fonctionne à 0,1 kelvin, [l'équivalent de] -459,49 degrés Fahrenheit, ou -273,05 degrés Celsius ».
Un nouveau système décrit comme « transformationnel » par les experts
Dans un domaine où les progrès sont progressifs et où chaque nouvelle machine n'a qu'une poignée de qubits de plus que la précédente, c'est une revendication audacieuse. D'autres experts en la matière sont cependant impatients de claironner l'avancée. Andrew White, directeur du Centre of Engineered Quantum Systems de l'Université du Queensland en Australie, n'a pas participé à la recherche, mais a qualifié le nouveau type de puce de « transformationnelle ».
La puce remplace les racks d'électronique par un circuit intégré de la taille d'une vignette - un exploit de miniaturisation qui, selon le professeur White, revient à sauter directement d'un « ordinateur central des années 1970 » à la minuscule puce d'un smartphone moderne.
« Étant donné la ruée vers l'or mondiale pour la technologie quantique, avec de grands acteurs comme Google, Amazon et IBM, ce que David et son équipe ont fait, c'est construire le premier pic et la première pelle décents », a-t-il déclaré. « Cela va être transformationnel dans les prochaines années. Si tout le monde [développant des ordinateurs quantiques] n'utilise pas cette puce, ils utiliseront quelque chose qui s'en inspirera ».
Andrew Dzurak, expert en informatique quantique de l’université UNSW en Australie, qui n'a pas participé aux travaux, a déclaré que l'annonce faite par l'équipe du professeur Reilly était « une prochaine étape très importante ».
« Ce qui est impressionnant et constitue une véritable percée, c'est qu'ils ont intégré une quantité très importante d'électronique sur une seule puce », a-t-il déclaré. « Et cette puce ne fonctionne qu'à 100 millikelvins [un dixième de degré au-dessus de la température la plus basse possible] et dissipe une si petite quantité de chaleur qu'elle ne chauffe pas le réfrigérateur ou la puce quantique qui se trouve à côté ».
À terme, l'équipe prévoit que son système pourrait permettre à la puce cryogénique de contrôler des milliers de qubits – soit environ 20 fois plus que ce qui est possible aujourd'hui. À l'avenir, le même type d'approche pourrait permettre aux ordinateurs quantiques d'atteindre un tout autre niveau.
« Pourquoi ne pas commencer à penser à des milliards de qubits ? » a déclaré Reilly à l'Australian Financial Review. « Plus on peut contrôler de qubits, mieux c'est ».
Pour recoudre ce problème de chaleur, IBM, par exemple, prévoit de construire un "super-réfrigérateur" de 3 mètres de haut, dont le nom de code est Goldeneye, qui est plus grand que tous ceux disponibles dans le commerce aujourd'hui. Une autre approche a consisté à construire des qubits qui fonctionnent à des températures plus élevées. L'année dernière, deux équipes de physiciens – l'une en Australie, l'autre aux Pays-Bas – ont fait la démonstration de processeurs quantiques à base de silicium qui fonctionnent à 1,5K. Bien que ce soit encore très froid, c'est 15 fois plus chaud que les ordinateurs quantiques développés par des sociétés comme Google et IBM.
Bien qu'il faille attendre un certain temps avant de voir cette percée cryogénique mise en pratique en dehors du laboratoire, il ne fait aucun doute que nous sommes en train de faire un grand pas en avant dans le domaine de l'informatique quantique, selon les experts.
Sources : Nature Electronics, Equs
Et vous ?
Que pensez-vous de cette nouvelle puce Gooseberry qui va permettre d'obtenir des milliers de qubits ? Pensez-vous que la puce informatique cryogénique des chercheurs australiens pourra établir la suprématie quantique ? Voir aussi :
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