Créer le cœur d’un ordinateur quantique : développer des qubits

Un ordinateur est suspendu au plafond. Des lignes délicates et des boucles de fils et de tubes argentés relient les plates-formes dorées. Il semble appartenir à un film de science-fiction, peut-être un cousin steam-punk de HAL dans 2001 : L’Odyssée de l’Espace. Mais comme les réalisateurs de ce film de 1968 imaginaient des ordinateurs de la taille d’un vaisseau spatial, cette technologie ne leur aurait jamais traversé l’esprit – un ordinateur quantique.

Les ordinateurs quantiques ont le potentiel de résoudre des problèmes que les ordinateurs conventionnels ne peuvent pas. Les puces informatiques conventionnelles ne peuvent traiter qu’un certain nombre d’informations à la fois et nous sommes sur le point d’atteindre leurs limites physiques. En revanche, les propriétés uniques des matériaux pour l’informatique quantique ont le potentiel de traiter plus d’informations beaucoup plus rapidement.

Ces avancées pourraient révolutionner certains domaines de la recherche scientifique. L’identification de matériaux ayant des caractéristiques spécifiques, la compréhension de la photosynthèse et la découverte de nouveaux médicaments nécessitent des quantités massives de calculs. En théorie, l’informatique quantique pourrait résoudre ces problèmes plus rapidement et plus efficacement. L’informatique quantique pourrait également ouvrir des possibilités que nous n’avons même jamais envisagées. C’est comme un four à micro-ondes par rapport à un four conventionnel – des technologies différentes avec des objectifs différents.

Mais nous n’en sommes pas encore là. Jusqu’à présent, une entreprise a affirmé que son ordinateur quantique pouvait effectuer un calcul spécifique plus rapidement que les supercalculateurs conventionnels les plus rapides au monde. Les scientifiques qui utilisent régulièrement des ordinateurs quantiques pour répondre à des questions scientifiques sont loin d’être terminés.

Pour utiliser les ordinateurs quantiques à grande échelle, nous devons améliorer la technologie à leur cœur – les qubits. Les qubits sont la version quantique de la forme d’information la plus basique des ordinateurs conventionnels, les bits. Le bureau des sciences du DOE soutient la recherche sur le développement d’ingrédients et de recettes pour construire ces qubits difficiles.

Le laboratoire national Lawrence Berkeley du DOE utilise un système de refroidissement sophistiqué pour maintenir les qubits – le cœur des ordinateurs quantiques – suffisamment froids pour que les scientifiques puissent les étudier en vue de leur utilisation dans les ordinateurs quantiques. Crédit : Image reproduite avec l’aimable autorisation du Laboratoire national Lawrence Berkeley

Bizarrerie quantique

À l’échelle atomique, la physique devient très étrange. Les électrons, les atomes et autres particules quantiques interagissent les uns avec les autres différemment des objets ordinaires. Dans certains matériaux, nous pouvons exploiter ces comportements étranges. Plusieurs de ces propriétés – en particulier la superposition et l’intrication – peuvent être extrêmement utiles en informatique.

Le principe de superposition est l’idée qu’un qubit peut être dans plusieurs états à la fois. Avec les bits traditionnels, vous n’avez que deux options : 1 ou 0. Ces nombres binaires décrivent toutes les informations contenues dans n’importe quel ordinateur. Les qubits sont plus compliqués.

Imaginez un pot avec de l’eau dedans. Lorsque vous avez de l’eau dans une casserole avec un couvercle dessus, vous ne savez pas si elle bout ou non. La vraie eau est bouillante ou non ; le regarder ne change pas son état. Mais si le pot était dans le domaine quantique, l’eau (représentant une particule quantique) pourrait à la fois bouillir et ne pas bouillir en même temps ou n’importe quelle superposition linéaire de ces deux états. Si vous enleviez le couvercle de ce pot quantique, l’eau serait immédiatement dans un état ou dans l’autre. La mesure force la particule quantique (ou l’eau) dans un état observable spécifique.

L’intrication se produit lorsque les qubits ont une relation les uns avec les autres qui les empêche d’agir indépendamment. Cela se produit lorsqu’une particule quantique a un état (comme un spin ou une charge électrique) qui est lié à l’état d’une autre particule quantique. Cette relation persiste même lorsque les particules sont physiquement éloignées les unes des autres, même bien au-delà des distances atomiques.

Ces propriétés permettent aux ordinateurs quantiques de traiter plus d’informations que les bits conventionnels qui ne peuvent être que dans un seul état et agir indépendamment les uns des autres.

Exploiter les propriétés quantiques

Mais pour obtenir l’une de ces grandes propriétés, vous devez avoir un contrôle fin sur les électrons d’un matériau ou d’autres particules quantiques. À certains égards, ce n’est pas si différent des ordinateurs conventionnels. Que les électrons se déplacent ou non à travers un transistor conventionnel détermine la valeur du bit, ce qui en fait 1 ou 0.

Plutôt que d’activer ou de désactiver simplement le flux d’électrons, les qubits nécessitent un contrôle sur des éléments délicats comme le spin des électrons. Pour créer un qubit, les scientifiques doivent trouver un endroit dans un matériau où ils peuvent accéder et contrôler ces propriétés quantiques. Une fois qu’ils y accèdent, ils peuvent ensuite utiliser des champs lumineux ou magnétiques pour créer une superposition, un enchevêtrement et d’autres propriétés.

Dans de nombreux matériaux, les scientifiques le font en manipulant le spin des électrons individuels. Le spin des électrons est similaire au spin d’une toupie ; il a une direction, un angle et une quantité de mouvement. Le spin de chaque électron est soit vers le haut, soit vers le bas. Mais en tant que propriété de la mécanique quantique, le spin peut également exister dans une combinaison de haut et de bas. Pour influencer le spin des électrons, les scientifiques appliquent des micro-ondes (similaires à celles de votre four à micro-ondes) et des aimants. Les aimants et les micro-ondes permettent ensemble aux scientifiques de contrôler le qubit.

Depuis les années 1990, les scientifiques ont pu maîtriser de mieux en mieux le spin des électrons. Cela leur a permis d’accéder aux états quantiques et de manipuler les informations quantiques plus que jamais auparavant.

“Pour voir où cela est allé aujourd’hui, c’est remarquable”, a déclaré David Awschalom, un physicien quantique au laboratoire national d’Argonne du DOE et au Université de Chicago ainsi que directeur de la Chicago Quantum Exchange.

Qu’ils utilisent le spin des électrons ou une autre approche, tous les qubits sont confrontés à des défis majeurs avant de pouvoir les étendre. Deux des plus importants sont le temps de cohérence et la correction d’erreur.

Lorsque vous exécutez un ordinateur, vous devez être capable de créer et de stocker une information, de la laisser seule, puis de revenir plus tard pour la récupérer. Cependant, si le système qui contient les informations change de lui-même, cela ne sert à rien pour le calcul. Malheureusement, les qubits sont sensibles à l’environnement qui les entoure et ne conservent pas leur état très longtemps.

À l’heure actuelle, les systèmes quantiques sont soumis à beaucoup de « bruit », des choses qui leur font avoir un temps de cohérence faible (le temps qu’ils peuvent maintenir leur état) ou produisent des erreurs. « S’assurer que vous obtenez la bonne réponse à tout moment est l’un des plus grands obstacles de l’informatique quantique », a déclaré Danna Freedman, professeur agrégé de chimie à Université du nord-ouest.

Même si vous pouvez réduire ce bruit, il y aura toujours des erreurs. “Nous devrons construire une technologie capable de corriger les erreurs avant de pouvoir faire une grande différence avec l’informatique quantique”, a déclaré Giulia Galli, chimiste et physicienne quantique au Laboratoire national d’Argonne du DOE et à l’Université de Chicago.

Plus vous avez de qubits en jeu, plus ces problèmes se multiplient. Alors que les ordinateurs quantiques les plus puissants d’aujourd’hui ont environ 50 qubits, il est probable qu’ils en auront besoin de centaines ou de milliers pour résoudre les problèmes que nous souhaitons.

Explorer les options

Le jury ne sait toujours pas quelle technologie qubit sera la meilleure. “Aucun vrai gagnant n’a été identifié”, a déclaré Galli. “[Different ones] peuvent avoir leur place pour différentes applications. En plus de l’informatique, différents matériaux quantiques peuvent être utiles pour la détection quantique ou les communications quantiques en réseau.

Pour aider à faire avancer les qubits, le Bureau des sciences du DOE soutient la recherche sur un certain nombre de technologies différentes. « Pour réaliser l’énorme potentiel scientifique de l’informatique quantique, nous devons réinventer la R&D quantique en explorant simultanément une gamme de solutions possibles », a déclaré Irfan Siddiqi, physicien quantique au DOE Lawrence Berkeley National Laboratory et au Université de Californie, Berkeley.

Qubits supraconducteurs

Les qubits supraconducteurs sont actuellement la technologie de qubit la plus avancée. La plupart des ordinateurs quantiques existants utilisent des qubits supraconducteurs, y compris celui qui « bat » le supercalculateur le plus rapide du monde. Ils utilisent des sandwichs métal-isolant-métal appelés jonctions Josephson. Pour transformer ces matériaux en supraconducteurs – des matériaux que l’électricité peut traverser sans perte – les scientifiques les abaissent à des températures extrêmement froides. Entre autres choses, des paires d’électrons se déplacent de manière cohérente à travers le matériau comme s’il s’agissait de particules uniques. Ce mouvement rend les états quantiques plus durables que dans les matériaux conventionnels.

Pour augmenter les qubits supraconducteurs, Siddiqi et ses collègues étudient comment les construire encore mieux avec le soutien du Bureau des sciences. Son équipe a examiné comment apporter des améliorations à une jonction Josephson, une mince barrière isolante entre deux supraconducteurs dans le qubit. En affectant la circulation des électrons, cette barrière permet de contrôler les niveaux d’énergie des électrons. Rendre cette jonction aussi cohérente et petite que possible peut augmenter le temps de cohérence du qubit. Dans un article sur ces jonctions, l’équipe de Siddiqi fournit une recette pour construire un processeur quantique à huit qubits, avec des ingrédients expérimentaux et des instructions étape par étape.

Qubits utilisant des défauts

Les défauts sont des espaces où des atomes sont manquants ou égarés dans la structure d’un matériau. Ces espaces modifient la façon dont les électrons se déplacent dans les matériaux. Dans certains matériaux quantiques, ces espaces piègent les électrons, permettant aux chercheurs d’accéder à leurs spins et de les contrôler. Contrairement aux supraconducteurs, ces qubits n’ont pas toujours besoin d’être à des températures ultra basses. Ils ont le potentiel d’avoir de longs temps de cohérence et d’être fabriqués à grande échelle.

Alors que les diamants sont généralement appréciés pour leur absence d’imperfections, leurs défauts sont en fait très utiles pour les qubits. Ajout d’azote atome à un endroit où il y aurait normalement un atome de carbone dans les diamants crée ce qu’on appelle un centre de vacance d’azote. Les chercheurs utilisant le Center for Functional Nanomaterials, une installation utilisateur du DOE Office of Science, ont trouvé un moyen de créer un pochoir de seulement deux nanomètres de long pour créer ces modèles de défauts. Cet espacement a permis d’augmenter le temps de cohérence de ces qubits et de faciliter leur intrication.

Mais les défauts utiles ne se limitent pas aux diamants. Les diamants sont chers, petits et difficiles à contrôler. Le nitrure d’aluminium et le carbure de silicium sont moins chers, plus faciles à utiliser et déjà courants dans l’électronique de tous les jours. Galli et son équipe ont utilisé la théorie pour prédire comment forcer physiquement le nitrure d’aluminium de la bonne manière pour créer des états électroniques pour les qubits. Comme les lacunes d’azote se produisent naturellement dans le nitrure d’aluminium, les scientifiques devraient pouvoir contrôler le spin des électrons comme ils le font dans les diamants. Une autre option, le carbure de silicium, est déjà utilisée dans les éclairages à LED, les appareils électroniques haute puissance et les écrans électroniques. L’équipe d’Awschalom a découvert que certains défauts du carbure de silicium ont des temps de cohérence comparables ou supérieurs à ceux des centres de lacunes d’azote des diamants. Dans des travaux complémentaires, le groupe de Galli a développé des modèles théoriques expliquant les temps de cohérence plus longs.

« Sur la base de travaux théoriques, nous avons commencé à examiner ces matériaux à l’échelle atomique. Nous avons découvert que les états quantiques étaient toujours là, mais personne ne les avait recherchés », a déclaré Awschalom. « Leur présence et leur comportement robuste dans ces matériaux étaient inattendus. Nous avons imaginé que leurs propriétés quantiques seraient de courte durée en raison des interactions avec les spins nucléaires proches. » Depuis lors, son équipe a intégré ces qubits dans des plaquettes électroniques commerciales et a constaté qu’ils fonctionnent étonnamment bien. Cela peut leur permettre de connecter les qubits à l’électronique.

Matériaux par conception

Alors que certains scientifiques étudient la manière d’utiliser les matériaux existants, d’autres adoptent une approche différente – en concevant des matériaux à partir de zéro. Cette approche construit des matériaux sur mesure molécule par molécule. En personnalisant les métaux, les molécules ou les ions liés aux métaux et l’environnement environnant, les scientifiques peuvent potentiellement contrôler les états quantiques au niveau d’une seule particule.

« Quand vous parlez à la fois de comprendre et d’optimiser lepropriétés d’un qubit, sachant que chaque atome d’un système quantique est exactement là où vous le souhaitez, c’est très important », a déclaré Freedman.

Avec cette approche, les scientifiques peuvent limiter la quantité de spin nucléaire (le spin du noyau d’un atome) dans l’environnement du qubit. De nombreux atomes contenant un spin nucléaire provoquent un bruit magnétique qui rend difficile le maintien et le contrôle du spin des électrons. Cela réduit le temps de cohérence du qubit. Freedman et son équipe ont développé un environnement qui avait très peu de spin nucléaire. En testant différentes combinaisons de solvants, de températures et d’ions/molécules attachés au métal, ils ont atteint un temps de cohérence de 1 milliseconde dans un molécule qui contient le métal vanadium. C’était un temps de cohérence beaucoup plus long que quiconque n’avait atteint auparavant dans une molécule. Alors que les qubits moléculaires précédents avaient des temps de cohérence cinq fois plus courts que les temps des centres de lacunes d’azote du diamant, cela correspondait aux temps de cohérence des diamants.

“C’était vraiment choquant pour moi parce que je pensais que les molécules seraient nécessairement les outsiders dans ce jeu”, a déclaré Freedman. “[It] nous ouvre un espace gigantesque pour jouer.

Les surprises quantiques ne cessent d’arriver. Awschalom a comparé notre situation actuelle aux années 1950, lorsque les scientifiques exploraient le potentiel des transistors. À l’époque, les transistors mesuraient moins d’un demi-pouce de long. Maintenant, les ordinateurs portables en contiennent des milliards. L’informatique quantique se trouve dans un endroit similaire.

“L’idée globale que nous pourrions complètement transformer la façon dont le calcul est effectué et la façon dont la nature est étudiée en faisant de la simulation quantique est vraiment très excitante”, a déclaré Galli. “Notre façon fondamentale de regarder les matériaux, basée sur des simulations quantiques, peut enfin être utile pour développer des dispositifs et des matériaux technologiquement pertinents.”