La puce multi-qubit possède cinq qubits transmon supraconducteurs et des résonateurs de lecture associés. Une fois refroidi au zéro absolu, un tel appareil peut calculer des choses comme des simulations quantiques de matériaux avancés. Crédit :Laboratoire de nanoélectronique quantique, UC Berkeley.
Depuis plus de 50 ans, La loi de Moore a régné en maître. L'observation selon laquelle le nombre de transistors sur une puce informatique double environ tous les deux ans a donné le ton à notre révolution numérique moderne :fabriquer des smartphones, ordinateurs personnels et supercalculateurs actuels possibles. Mais la loi de Moore ralentit. Et même si ce n'était pas le cas, certains des grands problèmes auxquels les scientifiques doivent s'attaquer pourraient être hors de portée des ordinateurs conventionnels.
Depuis quelques années, des chercheurs du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) ont exploré un type d'architecture informatique radicalement différent basé sur la mécanique quantique pour résoudre certains des problèmes les plus difficiles de la science. Avec un financement de recherche et développement dirigé par des laboratoires (LDRD), ils ont développé des algorithmes de chimie quantique et d'optimisation, ainsi que des prototypes de processeurs quantiques supraconducteurs. Récemment, ils ont prouvé la viabilité de leur travail en utilisant ces algorithmes sur un processeur quantique comprenant deux bits quantiques transmonaux supraconducteurs pour résoudre avec succès le problème chimique du calcul du spectre énergétique complet d'une molécule d'hydrogène.
Maintenant, deux équipes de recherche dirigées par le personnel du Berkeley Lab recevront un financement du ministère de l'Énergie (DOE) pour poursuivre sur cette lancée. Une équipe recevra 1,5 million de dollars sur trois ans pour développer de nouveaux algorithmes, des techniques de compilation et des outils de planification qui permettront d'utiliser à court terme des plates-formes de calcul quantique pour la découverte scientifique en sciences chimiques. L'autre équipe travaillera en étroite collaboration avec ces chercheurs pour concevoir des prototypes de processeurs à quatre et huit qubits pour calculer ces nouveaux algorithmes. Ce projet durera cinq ans et les chercheurs recevront 1,5 million de dollars pour leur première année de travail. À la cinquième année, l'équipe matérielle espère faire la démonstration d'un processeur 64 qubits avec un contrôle total.
"Un jour, les ordinateurs quantiques universels seront capables de résoudre un large éventail de problèmes, de la conception moléculaire au machine learning et à la cybersécurité, mais on en est loin. Donc, la question que nous posons actuellement est de savoir s'il existe des problèmes spécifiques que nous pouvons résoudre avec des ordinateurs quantiques plus spécialisés, " dit Irfan Siddiqi, Berkeley Lab Scientifique et directeur fondateur du Center for Quantum Coherent Science à l'UC Berkeley.
Selon Siddiqi, les technologies d'informatique cohérente quantique d'aujourd'hui ont les temps de cohérence requis, fidélités d'opération logique et topologies de circuits pour effectuer des calculs spécialisés pour la recherche fondamentale dans des domaines tels que la science moléculaire et des matériaux, optimisation numérique et physique des hautes énergies. Au vu de ces avancées, il note qu'il est temps pour le DOE d'explorer comment ces technologies peuvent être intégrées dans la communauté du calcul haute performance. Sur ces nouveaux projets, les équipes du Berkeley Lab travailleront avec des collaborateurs de l'industrie et du monde universitaire pour tirer parti de ces avancées et s'attaquer aux problèmes scientifiques difficiles des missions du DOE, tels que le calcul de la dynamique des systèmes moléculaires et l'apprentissage automatique quantique.
"Nous sommes aux premiers stades de l'informatique quantique, un peu comme où nous en étions avec l'informatique conventionnelle dans les années 1940. Nous avons une partie du matériel, maintenant nous devons développer un ensemble robuste de logiciels, des algorithmes et des outils pour l'utiliser de manière optimale pour résoudre des problèmes scientifiques vraiment difficiles, " dit Bert de Jong, qui dirige la chimie computationnelle, Materials and Climate Group de la division de recherche informatique (CRD) du Berkeley Lab.
Il dirigera une équipe d'algorithmes quantiques du DOE composée de chercheurs du Berkeley Lab, Harvard, Argonne National Lab et UC Berkeley se sont concentrés sur « les algorithmes quantiques, Mathématiques et outils de compilation pour les sciences chimiques."
"La tradition de la science d'équipe de Berkeley Lab, ainsi que sa proximité avec l'UC Berkeley et la Silicon Valley, en fait un lieu idéal pour travailler sur l'informatique quantique de bout en bout, " dit Jonathan Carter, Directeur adjoint du Berkeley Lab Computing Sciences. "Nous avons des physiciens et des chimistes au laboratoire qui étudient la science fondamentale de la mécanique quantique, ingénieurs pour concevoir et fabriquer des processeurs quantiques, ainsi que des informaticiens et des mathématiciens pour s'assurer que le matériel sera capable de calculer efficacement la science du DOE. »
Charretier, Siddiqi et Jonathan DuBois du Laboratoire national Lawrence Livermore dirigeront le projet de banc d'essai AQuES (Advanced Quantum-Enabled Simulation) du DOE.
Membres du Berkeley Lab des équipes du banc d'essai AQuES et des algorithmes de chimie :(dans le sens des aiguilles d'une montre) Costin Iancu, Bert de Jong, Dar Dahlen, George Michelogiannakis, Anastasie Butko, Jonathan Carter, et Irfan Siddiqi. Crédit :Marilyn Chung, Laboratoire de Berkeley
Défi de la cohérence quantique
La clé pour construire des ordinateurs quantiques qui résolvent des problèmes scientifiques au-delà de la portée des ordinateurs conventionnels est la « cohérence quantique ». Ce phénomène permet essentiellement aux systèmes quantiques de stocker beaucoup plus d'informations par bit que dans les ordinateurs traditionnels.
Dans un ordinateur conventionnel, les circuits d'un processeur comprennent des milliards de transistors, de minuscules commutateurs activés par des signaux électroniques. Les chiffres 1 et 0 sont utilisés en binaire pour refléter les états passants et bloqués d'un transistor. C'est essentiellement la façon dont les informations sont stockées et traitées. Lorsque les programmeurs écrivent du code informatique, un traducteur le transforme en instructions binaires — 1 et 0 — qu'un processeur peut exécuter.
Contrairement à un peu traditionnel, un bit quantique (qubit) peut prendre des propriétés mécaniques quantiques quelque peu contre-intuitives comme l'intrication et la superposition. L'intrication quantique se produit lorsque des paires ou des groupes de particules interagissent de telle manière que l'état de chaque particule ne peut pas être décrit individuellement; au lieu de cela, l'état doit être décrit pour le système dans son ensemble. En d'autres termes, les particules enchevêtrées agissent comme une unité. La superposition se produit lorsqu'une particule existe dans une combinaison de deux états quantiques simultanément.
Ainsi, alors qu'un bit informatique conventionnel code les informations sous la forme 0 ou 1, un qubit peut valoir 0, 1 ou une superposition d'états (à la fois 0 et 1 en même temps). La capacité d'un qubit à exister dans plusieurs états signifie qu'il peut, par exemple, permettent le calcul des propriétés matérielles et chimiques beaucoup plus rapidement que les ordinateurs traditionnels. Et si ces qubits pouvaient être liés ou intriqués dans un ordinateur quantique, des problèmes qui ne peuvent pas être résolus aujourd'hui avec des ordinateurs conventionnels pourraient être résolus.
Mais obtenir des qubits à cet état de cohérence quantique, où ils peuvent tirer parti des propriétés de la mécanique quantique puis en tirer le meilleur parti lorsqu'ils sont dans cet état reste un défi.
"L'informatique quantique, c'est comme jouer à un jeu d'échecs où les pièces et l'échiquier sont faits de glace. Alors que les joueurs mélangent les pièces, les composants fondent, et plus tu fais de mouvements, plus vite le jeu fondra, " dit Carter. " Les qubits perdent leur cohérence en très peu de temps, c'est donc à nous de déterminer l'ensemble de mouvements le plus utile que nous puissions faire. »
Carter note que l'approche du Berkeley Lab consistant à co-concevoir les processeurs quantiques en étroite collaboration avec les chercheurs développant des algorithmes quantiques, Les techniques de compilation et les outils de planification seront extrêmement utiles pour répondre à cette question.
« Les approches informatiques sont courantes dans la plupart des projets scientifiques du laboratoire de Berkeley. Alors que la loi de Moore ralentit, nouvelles architectures informatiques, système, et techniques sont devenues une initiative prioritaire au Berkeley Lab, " dit Horst Simon, Directeur adjoint de Berkeley Lab. « Nous avons reconnu très tôt comment la simulation quantique pouvait fournir une approche efficace à certains des problèmes de calcul les plus difficiles en science, et je suis heureux de voir la reconnaissance de notre initiative LDRD à travers ce premier financement direct. La science de l'information quantique deviendra un élément de plus en plus important de notre entreprise de recherche dans de nombreuses disciplines. »
Parce que ce domaine n'en est qu'à ses débuts, il existe de nombreuses approches pour construire un ordinateur quantique. Les équipes dirigées par le Berkeley Lab se pencheront sur les ordinateurs quantiques supraconducteurs.
Pour concevoir et fabriquer la prochaine génération de processeurs quantiques, l'équipe AQuES tirera parti de l'installation de circuits supraconducteurs du laboratoire de nanoélectronique quantique de l'UC Berkeley tout en incorporant l'expertise des chercheurs de la technologie des accélérateurs et de la physique appliquée de Berkeley Lab, Divisions de la science et de l'ingénierie des matériaux. Les équipes de recherche utiliseront également les capacités uniques de deux installations du DOE; le Centre de calcul scientifique de la fonderie moléculaire et de la recherche énergétique nationale (NERSC), tous deux situés au Berkeley Lab.
