Le développement de l’informatique quantique a connu un essor considérable au cours des dernières années, et de nombreuses étapes technologiques d’importance ont été franchies. La dernière percée en date a été réalisée par une équipe de physiciens du Harvard-MIT Center for Ultracold Atoms et d'autres universités, qui a mis au point un type particulier d'ordinateur quantique, baptisé "simulateur quantique programmable", capable de fonctionner avec 256 bits quantiques, ou "qubits". Ce nouveau système marque, selon les chercheurs, une étape importante vers la construction de machines quantiques à grande échelle qui pourraient être utilisées pour faire la lumière sur une multitude de processus quantiques complexes.Un ordinateur quantique utilise les propriétés quantiques de la matière, telles que la superposition et l’intrication afin d’effectuer des opérations sur des données. Les ordinateurs quantiques fonctionnent sur des bits quantiques ou qubits qu’on considère comme l’unité d’information quantique, ce qu’est le bit pour l’ordinateur classique. L’état quantique des qubits peut avoir plusieurs valeurs. 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). En théorie, les performances de calcul d’un ordinateur quantique croient de façon exponentielle à mesure que le nombre de qubits pouvant être manipulés croît. Et les travaux des physiciens du Harvard-MIT viennent d’augmenter le nombre de qubits.
Selon un article publié ce mois dans la revue Nature, ce système marque une étape importante vers la construction de machines quantiques à grande échelle qui pourraient être utilisées pour faire la lumière sur une multitude de processus quantiques complexes et, à terme, contribuer à des percées concrètes dans les domaines de la science des matériaux, des technologies de communication, de la finance et bien d'autres encore, en surmontant les obstacles à la recherche qui dépassent les capacités actuelles des superordinateurs les plus rapides.
« Cela fait entrer le secteur dans un nouveau domaine où personne n'est jamais allé jusqu'à présent », a déclaré Mikhail Lukin, professeur de physique George Vasmer Leverett, codirecteur de la Harvard Quantum Initiative, et l'un des auteurs principaux de l'étude publiée le 7 juillet 2021. « Nous entrons dans une partie complètement nouvelle du monde quantique ».
La programmabilité et l’augmentation du nombre de qubits à l’origine de la percée
Dans les bonnes conditions, l'augmentation du nombre de qubits signifie que le système peut stocker et traiter une quantité d'informations exponentiellement supérieure à celle des bits classiques sur lesquels fonctionnent les ordinateurs standard. Selon Sepehr Ebadi, étudiant en physique à la Graduate School of Arts and Sciences et auteur principal de l'étude, c'est la combinaison de la taille et de la programmabilité sans précédent du nouveau système qui le place à la pointe de la course à l'ordinateur quantique, qui exploite les propriétés mystérieuses de la matière à des échelles extrêmement petites pour faire progresser considérablement la puissance de traitement.
« Le nombre d'états quantiques possibles avec seulement 256 qubits dépasse le nombre d'atomes du système solaire », a déclaré Ebadi pour expliquer la taille considérable du système.
Selon le rapport d’étude, le simulateur a déjà permis aux chercheurs d'observer plusieurs états quantiques exotiques de la matière qui n'avaient encore jamais été réalisés expérimentalement, et de réaliser une étude de transition de phase quantique si précise qu'elle sert d'exemple de manuel sur le fonctionnement du magnétisme au niveau quantique. Ces expériences fournissent un aperçu puissant de la physique quantique qui sous-tend les propriétés des matériaux et peuvent aider à montrer aux scientifiques comment concevoir de nouveaux matériaux aux propriétés exotiques, d’après l’article.
Le projet utilise une version considérablement améliorée d'une plateforme que les chercheurs ont développée en 2017, qui était capable d'atteindre une taille de 51 qubits. Cet ancien système permettait aux chercheurs de capturer des atomes de rubidium ultrafroids et de les disposer dans un ordre spécifique à l'aide d'un réseau unidimensionnel de faisceaux laser focalisés individuellement, appelés pinces optiques.
Ce nouveau système permet d'assembler les atomes dans des tableaux bidimensionnels de pinces optiques. La taille du système passe ainsi de 51 à 256 qubits. Grâce aux pinces, les chercheurs peuvent disposer les atomes selon des schémas exempts de défauts et créer des formes programmables telles que des maillages carrés, en nid d'abeille ou triangulaires afin de mettre au point différentes interactions entre les qubits, lit-on dans le rapport.
Ebadi a ajouté : « Le cheval de bataille de cette nouvelle plateforme est un dispositif appelé modulateur spatial de lumière, qui est utilisé pour façonner un front d'onde optique afin de produire des centaines de faisceaux de pinces optiques focalisés individuellement ». Il poursuit en déclarant : « Ces dispositifs sont essentiellement les mêmes que ceux utilisés à l'intérieur d'un projecteur d'ordinateur pour afficher des images sur un écran, mais nous les avons adaptés pour en faire un composant essentiel de notre simulateur quantique ».
Le système continue d’être amélioré en le rendant plus programmable et de nouvelles applications sont étudiées
Le chargement initial des atomes dans les pinces optiques est aléatoire, et les chercheurs doivent déplacer les atomes pour les disposer dans leurs géométries cibles. Les chercheurs utilisent un deuxième jeu de pinces optiques mobiles pour faire glisser les atomes jusqu'à l'emplacement souhaité, éliminant ainsi le caractère aléatoire initial. Les lasers permettent aux chercheurs de contrôler totalement le positionnement des qubits atomiques et leur manipulation quantique cohérente.
Parmi les autres auteurs principaux de l'étude figurent les professeurs Subir Sachdev et Markus Greiner de Harvard, qui ont travaillé sur le projet avec le professeur Vladan Vuletić du Massachusetts Institute of Technology, ainsi que des scientifiques de Stanford, de l'Université de Californie Berkeley, de l'Université d'Innsbruck en Autriche, de l'Académie autrichienne des sciences et de QuEra Computing Inc. à Boston.
Tout Wang, chercheur associé en physique à Harvard et l'un des auteurs de l'article, a déclaré : « Notre travail s'inscrit dans une course mondiale très intense et très visible pour construire des ordinateurs quantiques plus grands et plus performants ». Il a noté que « L'effort global [au-delà du nôtre] implique des institutions de recherche universitaires de premier plan et des investissements majeurs du secteur privé de la part de Google, IBM, Amazon et bien d'autres ».
Une équipe de chercheurs australiens aurait résolu, en début d’année, une partie du problème de mise à l’échelle des ordinateurs quantiques en développant une puce cryogénique capable d’assurer la gestion électronique des qubits à des températures proches du zéro absolu. Ce dispositif a ouvert potentiellement la porte aux ordinateurs quantiques avec des milliers de qubits 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.
En revenant à la dernière étude, les chercheurs de Harvard-MIT travaillent actuellement à l'amélioration du système en perfectionnant le contrôle laser sur les qubits et en rendant le système plus programmable. Ils étudient aussi activement la manière dont le système peut être utilisé pour de nouvelles applications, allant de la recherche de formes exotiques de matière quantique à la résolution de problèmes difficiles du monde réel qui peuvent être naturellement codés sur les qubits.
« Ces travaux ouvrent la voie à un grand nombre de nouvelles orientations scientifiques », a déclaré Ebadi. « Nous sommes loin d'avoir atteint les limites de ce qui peut être fait avec ces systèmes ».
Source : Rapport d’étude
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