Le partenariat pourrait déboucher sur des initiatives pionnières l’informatique quantique technologies pour divers domaines.
L’année dernière, un nouveau bâtiment de deux étages a pris forme dans le coin nord-est du campus de Caltech. Bien que de conception modeste, ce qui se passe à l’intérieur de la structure pourrait transformer l’avenir de l’informatique. Le bâtiment est l’AWS Center for Quantum Computing, résultat d’un partenariat entre Caltech et Amazon Web Services, la branche de cloud computing d’Amazon. L’objectif de la collaboration est de créer des ordinateurs quantiques et des technologies associées qui ont le potentiel de révolutionner la sécurité des données, l’apprentissage automatique, le développement de médicaments, les pratiques de durabilité, etc.
« La plupart des gens connaissent la société Amazon. Nous pouvons y faire beaucoup de shopping, mais c’est aussi une centrale électrique en ingénierie », déclare Fernando Brandão, professeur Bren de physique théorique à Caltech et responsable des algorithmes quantiques à AWS. « Amazon Web Services est aujourd’hui le plus grand fournisseur de cloud sur Terre. Ils réfléchissent à la manière dont ils peuvent rendre l’informatique plus simple et meilleure pour les utilisateurs d’AWS. Et ils réfléchissent également à la prochaine étape et à la manière de faire de l’informatique et du cloud computing dans les cinq ou 10 prochaines années.
Le AWS Center for Quantum Computing à Caltech. Crédit : Amazon Web Services
La collaboration aidera à faire le pont entre le côté commercial de l’informatique quantique et la recherche fondamentale en cours à Caltech, qui a une longue histoire de percées dans les sciences quantiques.
« AWS bénéficiera des idées qui se dégagent ici sur le campus », déclare Oskar Painter (MS ’95, PhD ’01), professeur John G. Braun de physique appliquée et de physique à Caltech et responsable du matériel quantique à AWS. Painter dit que l’informatique quantique est encore une technologie très jeune, il est donc crucial que les efforts de développement soient directement connectés aux dernières recherches dans les universités.
« Si nous devions simplement prendre les idées d’aujourd’hui et aller de l’avant avec elles, nous créerions un dinosaure d’ordinateur quantique », explique Painter. « Nous devons être étroitement liés et liés à ces efforts de recherche fondamentale. »
Un ingénieur en matériel quantique AWS travaille sur un réfrigérateur à dilution. Les réfrigérateurs à dilution ont plusieurs étages de température pour refroidir le processeur quantique à des températures plus froides que l’espace extra-atmosphérique. Crédit : Amazon Web Services
Il s’agit du premier bâtiment de partenariat d’entreprise sur le campus de Caltech, et il reflète les intérêts de Caltech à mettre la science fondamentale sur le marché. Grâce à des bourses, des stages et des séminaires, le centre soutiendra également les étudiants Caltech et les scientifiques en début de carrière.
« Les étudiants auront l’occasion d’interagir avec la recherche de pointe grâce au centre situé à Caltech. Ce sera assez incroyable pour les étudiants », déclare Painter. « Et AWS peut exploiter ce talent. Ce sont les futurs ingénieurs et scientifiques qui vont construire des ordinateurs quantiques. »
Mise à l’échelle
L’un des plus grands défis dans la construction d’ordinateurs quantiques est de les faire évoluer. Parce que la technologie derrière les ordinateurs est si complexe, les prototypes actuels sont encore au stade expérimental. Pour que les ordinateurs quantiques dépassent vraiment ce qui peut être fait avec les ordinateurs classiques d’aujourd’hui – un jalon appelé avantage quantique – ils devront être beaucoup plus gros.
Par exemple, les ordinateurs quantiques rudimentaires d’aujourd’hui ne fonctionnent que sur quelques dizaines de qubits, l’équivalent quantique des bits, ou les 1 et les 0 qui composent le langage des ordinateurs classiques. Les chercheurs veulent construire des ordinateurs quantiques avec des milliers de qubits et plus.
« Les ordinateurs classiques contiennent des milliards, voire des milliards de bits, et c’est là où nous voudrions en fin de compte en être avec les qubits », déclare Brandão.
Oskar Painter, professeur John G. Braun de physique appliquée et de physique à Caltech et responsable du matériel quantique à AWS. Crédit : Caltech
Painter dit que même si certains rapports des médias ont suggéré que les ordinateurs quantiques sont au coin de la rue, la technologie en est encore à ses balbutiements. « Nous pouvons maintenant résoudre de petits problèmes avec les ordinateurs quantiques, mais nous devons faire évoluer la technologie de plusieurs ordres de grandeur avant de pouvoir vraiment nous attaquer à des problèmes ayant un impact important. Déterminer quels problèmes sont les mieux résolus avec les ordinateurs quantiques est également un domaine de recherche actif. Il y a de l’excitation parce que nous commençons à être capables de contrôler des systèmes quantiques à grande échelle, mais nous n’avons pas encore toutes les réponses. »
Contrairement aux bits, les qubits peuvent exister dans un état quantique appelé superposition où ils sont à la fois un 1 et un 0 en même temps, et tous les états possibles entre les deux. (Dans la célèbre analogie de superposition d’Erwin Schrödinger, un chat peut être à la fois mort et vivant, mais le chat peut également être dans n’importe quelle combinaison, ou superposition, de ces deux états.)
Avec la puissance vient la fragilité
La capacité des qubits à prendre plusieurs états à la fois est ce qui donne aux ordinateurs quantiques le potentiel d’être exponentiellement plus puissant que les ordinateurs classiques pour certains types de problèmes, notamment ceux de la chimie, de la finance, de la cryptographie, etc. Mais ce pouvoir s’accompagne d’inconvénients. Les qubits sont très fragiles ; de légères perturbations, telles que des vibrations ou de la chaleur, peuvent les faire sortir de la superposition, un phénomène connu sous le nom de décohérence. La clé du succès de la construction des ordinateurs quantiques du futur réside dans le contrôle de ces erreurs.
« Les transistors de nos ordinateurs modernes connaissent des taux d’erreur extrêmement faibles, au niveau d’une erreur par milliard de milliards d’opérations, ce qui permet d’effectuer des calculs complexes », explique Painter. “Les ordinateurs quantiques sont désormais limités par des taux d’erreur au niveau d’environ une erreur pour mille opérations.”
Fernando Brandão, professeur Bren de physique théorique à Caltech et responsable des algorithmes quantiques à AWS. Crédit : Caltech
L’un des principaux objectifs d’AWS est de créer un l’architecture des ordinateurs qui intègre la correction d’erreur quantique dans le matériel. Le matériel AWS repose sur des qubits supraconducteurs, qui fonctionnent à des températures ultra-froides légèrement supérieures zéro absolu. Les méthodes de correction d’erreurs quantiques utilisent des ensembles redondants de qubits au niveau du matériel physique (qubits « physiques ») pour former des qubits « logiques », qui codent les informations quantiques et peuvent être utilisés pour détecter et corriger les erreurs. Un défi principal dans la correction d’erreur quantique est la grande quantité de matériel associée au nombre de qubits physiques requis par qubit logique.
« Dans les ordinateurs quantiques à erreur corrigée, plus il y a de qubits physiques utilisés pour constituer un qubit logique, mieux on peut réduire le taux d’erreur de qubit logique par rapport au taux d’erreur de qubit physique individuel », explique Painter. “À l’avenir, nous voulons augmenter le nombre de qubits logiques à des centaines ou des milliers, tout en réduisant le taux d’erreur de qubit logique de plusieurs ordres de grandeur, afin que nous puissions effectuer des calculs quantiques d’une complexité suffisante pour résoudre des problèmes de grande valeur . Pour ce faire, nous devons développer davantage à la fois le matériel physique et l’architecture logique qubit. »
Racines quantiques
Caltech est bien adapté en tant que plaque tournante de l’innovation quantique grâce à sa riche histoire dans le domaine. Le regretté Richard Feynman, professeur de physique de longue date à Caltech, a été l’un des premiers à proposer des ordinateurs quantiques. Dans un 1981 conférence, il a expliqué qu’il y a des limites à la simulation de systèmes en physique avec des ordinateurs classiques parce que “la nature n’est pas classique, bon sang, et si vous voulez faire une simulation de la nature, vous feriez mieux de la faire en mécanique quantique, et bon sang , c’est un problème merveilleux parce que ça n’a pas l’air si facile.
Annika Dugad, étudiante diplômée de Caltech. Crédit : Caltech
En 1994, l’ancien élève de Caltech Peter Shor (BS ’81), alors aux Bell Labs, a développé un algorithme quantique qui peut prendre en compte de grands nombres en très peu de temps, démontrant l’énorme puissance de la future technologie. Par exemple, un ordinateur quantique serait capable de factoriser un nombre à 2 048 chiffres en huit heures, alors que cela prendrait environ 300 000 milliards d’années à un ordinateur classique. “Quand j’ai entendu parler de cela, j’ai été stupéfait”, a rappelé John Preskill, spécialiste d’Amazon, professeur de physique théorique Richard P. Feynman et directeur de l’Institute for Quantum Science and Technology (IQIM), dans un 2013 article Caltech. Shor a également contribué au développement de codes de correction d’erreurs quantiques.
Jeff Kimble de Caltech, professeur de physique William L. Valentine, émérite, a été parmi les premiers, en 1998, à réaliser la téléportation quantique, les informations étant transmises d’un faisceau lumineux à un autre via enchevêtrement, un processus dans lequel les particules sont connectées sans être en contact direct les unes avec les autres. En 2008, lui et ses collègues ont également été les premiers à stocker des états quantiques intriqués dans un dispositif de mémoire.
« Je suis venu à Caltech en tant qu’étudiant diplômé pour étudier avec des gens comme Jeff Kimble, qui mesurait de petits atome-des systèmes quantiques à photons avec une sensibilité exquise, et qui développait des protocoles quantiques avec ces systèmes qui pourraient finalement être utilisés pour créer un jour une forme d’Internet quantique », explique Painter.
Annika Dugad, actuellement étudiante diplômée à Caltech, affirme que le fait d’avoir le centre AWS sur le campus apporte encore plus de buzz à la recherche quantique de pointe qui se déroule à Caltech. Dugad fait partie de plusieurs universitaires dont les études supérieures sont financées par Amazon. Elle utilise le support pour étudier le paradoxe de l’information du trou noir, un mystère mis en lumière pour la première fois par Stephen Hawking au début des années 1970 qui demande ce qu’il advient de l’information piégée à l’intérieur d’un trou noir. En fin de compte, Dugad dit qu’elle aimerait utiliser ce qu’elle a appris et l’appliquer à des questions plus pratiques en informatique quantique.
«Peu de campus ont ce type de centre quantique», dit-elle. « Je sais qu’il existe un débouché où je peux aller pour collaborer à des expériences. Le milieu universitaire est par nature plus lent, mais dans l’industrie, ils ont des délais et peuvent vraiment faire avancer les choses. »
« Il y a un nouveau paradigme en informatique », déclare Brandão. « Il ne s’agit pas seulement de rendre nos ordinateurs actuels un peu plus rapides ou un peu meilleurs, comme nous l’avons vu au cours des 50 dernières années au moins. Il s’agit de construire un tout nouveau type d’ordinateur. L’informatique quantique n’en est qu’à ses débuts, mais je pense que c’est aussi très excitant.
