Grâce au partenariat de Microsoft avec l’Université, le professeur David Reilly et ses collègues ont inventé un appareil qui fonctionne à 40 fois plus froid que l’espace lointain pour contrôler directement des milliers de qubits, les éléments constitutifs de la technologie quantique.
Des scientifiques et des ingénieurs de l’Université de Sydney et de Microsoft Corporation ont ouvert le prochain chapitre de la technologie quantique avec l’invention d’une puce unique capable de générer des signaux de contrôle pour des milliers de qubits, les éléments constitutifs des ordinateurs quantiques.
« Pour réaliser le potentiel de l’informatique quantique, les machines devront faire fonctionner des milliers, voire des millions de qubits », a déclaré le professeur David Reilly, un concepteur de la puce qui occupe un poste conjoint avec Microsoft et l’Université de Sydney.
« Les plus grands ordinateurs quantiques du monde fonctionnent actuellement avec seulement une cinquantaine de qubits », a-t-il déclaré. “Cette petite échelle est en partie due aux limites de l’architecture physique qui contrôle les qubits.”
« Notre nouvelle puce met fin à ces limites. »
Les résultats ont été publiés dans Nature Électronique.
La plate-forme de puce cryogénique in situ dans un réfrigérateur à dilution. L’appareil peut fonctionner à 0,1 Kelvin. Crédit : Université de Sydney
La plupart des systèmes quantiques nécessitent des bits quantiques, ou qubits, pour fonctionner à des températures proches de zéro absolu (-273,15 degrés). Ceci afin d’éviter qu’ils ne perdent leur “quantité”, le caractère de matière ou de lumière dont les ordinateurs quantiques ont besoin pour effectuer leurs calculs spécialisés.
Pour que les appareils quantiques puissent faire quoi que ce soit d’utile, ils ont besoin d’instructions. Cela signifie envoyer et recevoir des signaux électroniques vers et depuis les qubits. Avec l’architecture quantique actuelle, cela implique beaucoup de fils.
« Les machines actuelles créent une belle gamme de fils pour contrôler les signaux ; ils ressemblent à un nid d’oiseau doré inversé ou à un lustre. Ils sont jolis, mais fondamentalement peu pratiques. Cela signifie que nous ne pouvons pas faire évoluer les machines pour effectuer des calculs utiles. Il existe un véritable goulot d’étranglement entre les entrées et les sorties », a déclaré le professeur Reilly, également chercheur en chef au Centre ARC pour les systèmes quantiques d’ingénierie (EQUS).
L’ingénieur matériel senior de Microsoft, le Dr Kushal Das, co-inventeur de la puce, a déclaré : « Notre appareil supprime tous ces câbles. Avec seulement deux fils transportant des informations en entrée, il peut générer des signaux de contrôle pour des milliers de qubits.
“Cela change tout pour l’informatique quantique.”
Le professeur David Reilly de la School of Physics de l’Université de Sydney occupe un poste conjoint avec Microsoft Corporation. Crédit : Université de Sydney
La puce de contrôle a été développée aux Microsoft Quantum Laboratories de l’Université de Sydney, un partenariat unique entre l’industrie et le milieu universitaire qui change la façon dont les scientifiques abordent les défis de l’ingénierie.
« Construire un ordinateur quantique est peut-être la tâche d’ingénierie la plus difficile du 21e siècle. Cela ne peut pas être réalisé en travaillant avec une petite équipe dans un laboratoire universitaire d’un seul pays, mais cela nécessite l’échelle offerte par un géant mondial de la technologie comme Microsoft », a déclaré le professeur Reilly.
« Grâce à notre partenariat avec Microsoft, nous n’avons pas seulement suggéré une architecture théorique pour surmonter le goulot d’étranglement des entrées-sorties, nous l’avons construite.
“Nous l’avons démontré en concevant une puce de silicium personnalisée et en la couplant à un système quantique”, a-t-il déclaré. « Je suis convaincu qu’il s’agit du circuit intégré le plus avancé jamais conçu pour fonctionner à des températures cryogéniques profondes. »
S’ils sont réalisés, les ordinateurs quantiques promettent de révolutionner les technologies de l’information en résolvant des problèmes dépassant le cadre des ordinateurs classiques dans des domaines aussi divers que la cryptographie, la médecine, la finance, l’intelligence artificielle et la logistique.
Budget de puissance
Les ordinateurs quantiques sont à un stade similaire à celui des ordinateurs classiques dans les années 1940. Des machines comme ENIAC, le premier ordinateur électronique au monde, nécessitaient des salles de systèmes de contrôle pour réaliser n’importe quelle fonction utile.
Il a fallu des décennies pour surmonter les défis scientifiques et techniques qui permettent désormais à des milliards de transistors de s’adapter à votre téléphone mobile.
“Notre industrie est confrontée à des défis peut-être encore plus importants pour amener l’informatique quantique au-delà du stade ENIAC”, a déclaré le professeur Reilly.
“Nous devons concevoir des puces de silicium très complexes qui fonctionnent à 0,1 Kelvin”, a-t-il déclaré. « C’est un environnement 30 fois plus froid que l’espace lointain ».
La recherche doctorale du Dr Sebastian Pauka à l’Université de Sydney a englobé une grande partie du travail d’interface des dispositifs quantiques avec la puce. Il a déclaré : « fonctionner à des températures aussi froides signifie que nous avons un budget d’énergie incroyablement bas. Si nous essayons de mettre plus de puissance dans le système, nous surchauffons le tout. »
Afin d’atteindre leur résultat, les scientifiques de Sydney et de Microsoft ont construit le circuit intégré le plus avancé pour fonctionner à des températures cryogéniques.
“Nous l’avons fait en concevant un système qui fonctionne à proximité des qubits sans perturber leurs opérations”, a déclaré le professeur Reilly.
« Les systèmes de contrôle actuels des qubits sont éloignés de quelques mètres de l’action, pour ainsi dire. Ils existent principalement à température ambiante.
« Dans notre système, nous n’avons pas à sortir de la plate-forme cryogénique. La puce est juste là avec les qubits. Cela signifie une puissance inférieure et des vitesses plus élevées. C’est un véritable système de contrôle pour la technologie quantique.
« La pile complète » nécessaire pour une machine quantique utile : le professeur David Reilly travaille avec des scientifiques de Microsoft dans le monde entier pour réaliser un ordinateur quantique universel tolérant aux pannes. Le dispositif qu’il a inventé fonctionne à l’interface entre les systèmes classiques et quantiques. Crédit : Microsoft
Des années d’ingénierie
« Déterminer comment contrôler ces appareils prend des années de développement technique », a déclaré le professeur Reilly. « Pour cet appareil, nous avons commencé il y a quatre ans lorsque l’Université de Sydney a lancé son partenariat avec Microsoft, qui représente le plus gros investissement dans la technologie quantique en Australie.
« Nous avons construit de nombreux modèles et bibliothèques de conception pour capturer le comportement des transistors à des températures cryogéniques profondes. Ensuite, nous avons dû construire des appareils, les faire vérifier, caractériser et enfin les connecter à des qubits pour les voir fonctionner dans la pratique.
Le vice-chancelier et directeur de l’Université de Sydney, le professeur Stephen Garton, a déclaré : « L’ensemble de la communauté universitaire est fier du succès du professeur Reilly et nous nous réjouissons à l’idée de poursuivre notre partenariat avec Microsoft pendant de nombreuses années.
Le professeur Reilly a déclaré que le domaine avait maintenant fondamentalement changé. « Il ne s’agit pas seulement de ‘voici mon qubit’. Il s’agit de la façon dont vous construisez toutes les couches et toute la technologie pour construire une vraie machine.
« Notre partenariat avec Microsoft nous permet de travailler avec une rigueur académique, avec l’avantage de voir nos résultats rapidement mis en pratique.
Le vice-chancelier adjoint (Recherche), le professeur Duncan Ivison, a déclaré : « Notre partenariat avec Microsoft a consisté à concrétiser la vision inspirée de David Reilly pour permettre la technologie quantique. C’est formidable de voir cette vision devenir une réalité.
Le professeur Reilly a déclaré: “Si nous étions restés uniquement dans le monde universitaire, cette puce n’aurait jamais été construite.”
Le scientifique australien a déclaré qu’il ne s’arrêtait pas là.
“Nous commençons tout juste cette nouvelle vague d’innovation quantique”, a-t-il déclaré. « Ce qui est bien avec ce partenariat, c’est que nous ne nous contentons pas de publier un article et de passer à autre chose. Nous pouvons maintenant poursuivre le plan pour réaliser la technologie quantique à l’échelle industrielle. »
Référence : « A cryogenic CMOS chip for generate control signaux for multiple qubits » par SJ Pauka, K. Das, R. Kalra, A. Moini, Y. Yang, M. Trainer, A. Bousquet, C. Cantaloube, N. Dick , GC Gardner, MJ Manfra et DJ Reilly, 25 janvier 2021, Nature Électronique.
DOI : 10.1038 / s41928-020-00528-y
Cette recherche a été soutenue par Microsoft Corporation et le Centre d’excellence du Conseil de recherche australien pour les systèmes quantiques d’ingénierie. Nous reconnaissons les installations ainsi que l’assistance scientifique et technique de la fonderie de recherche et de prototypes, une installation de recherche principale de l’Université de Sydney et une partie de l’installation nationale de fabrication australienne (ANFF).
