Les ordinateurs quantiques ont le potentiel de révolutionner la façon dont nous résolvons les problèmes informatiques difficiles, de la création d'une intelligence artificielle avancée à la simulation de réactions chimiques afin de créer la prochaine génération de matériaux ou de médicaments. Mais en réalité, la construction de telles machines est très difficile car elles impliquent des composants exotiques et doivent être conservées dans des environnements hautement contrôlés. Et celles que nous avons jusqu'à présent ne peuvent pas encore surpasser les machines traditionnelles.

Mais avec une équipe de chercheurs du Royaume-Uni et de France, nous avons démontré qu'il pourrait bien être possible de construire un ordinateur quantique à partir de composants électroniques conventionnels à base de silicium. Cela pourrait ouvrir la voie à la fabrication à grande échelle d'ordinateurs quantiques bien plus tôt que cela ne serait autrement possible.

La puissance théorique supérieure des ordinateurs quantiques découle des lois de la physique nanométrique ou « quantique ». Contrairement aux ordinateurs conventionnels, qui stockent des informations dans des bits binaires qui peuvent être soit "0" ou "1, " Les ordinateurs quantiques utilisent des bits quantiques (ou qubits) qui pourraient être dans une combinaison de " 0 " et " 1 " en même temps. C'est parce que la physique quantique permet aux particules d'être dans différents états ou endroits simultanément.

Le développement de l'informatique quantique n'en est qu'à ses balbutiements et plusieurs technologies matérielles sont disponibles sans qu'aucune ne domine encore. Les prototypes les plus avancés sont actuellement fabriqués à partir de quelques dizaines d'ions piégés dans une chambre à vide ou de circuits supraconducteurs maintenus à une température proche du zéro absolu.

Le défi crucial consiste à transformer ces petits démonstrateurs en grands systèmes qubit interconnectés qui auront suffisamment de puissance de calcul pour effectuer des tâches utiles plus rapidement que les supercalculateurs classiques. À cette fin, une autre technologie peut éventuellement s'avérer plus adaptée. Chose assez frappante, cela pourrait être la même technologie qui permet aujourd'hui notre société numérique, le transistor au silicium, l'unité d'information de base présente dans tous les microprocesseurs et puces mémoire.

Il y a deux raisons principales pour lesquelles la fabrication d'un ordinateur quantique à partir de silicium suscite un grand intérêt. D'abord, la miniaturisation implacable des dispositifs en silicium menée par la loi de Moore a permis la fabrication de transistors qui ne font que quelques dizaines d'atomes de large. C'est l'échelle à laquelle les lois de la physique quantique commencent à s'appliquer.

Cela représente une limite physique qui a mis un terme à toute nouvelle miniaturisation des transistors au silicium. Mais il a également favorisé de nouvelles utilisations de la technologie du silicium, connu sous le nom d'électronique More-than-Moore. La principale de ces nouvelles directions est la possibilité de coder un bit quantique d'information dans chaque transistor au silicium, puis les utiliser pour construire des ordinateurs quantiques à grande échelle.

En réutilisant la même technologie que celle utilisée par l'industrie des puces électroniques au cours des 60 dernières années, nous pourrions également tirer parti des précédents investissements d'infrastructure de plusieurs milliards de dollars et réduire les coûts. Cela signifie que toute l'ingénierie et le traitement intelligents qui sont entrés dans le développement de la microélectronique moderne pourraient être adaptés pour construire des processeurs quantiques de plus en plus puissants.

Puce quantique en silicium

Les expérimentations récemment menées par nos équipes collaboratrices à l'Université de Cambridge, R&D Hitachi, University College London et CEA-LETI en France, et publié dans Nature Électronique suggèrent que ce mariage entre l'électronique conventionnelle et l'électronique quantique peut effectivement être célébré. Nous avons pris des solutions d'ingénierie à partir de circuits de silicium conventionnels et les avons appliquées pour interconnecter différents dispositifs quantiques sur une puce. Cela a rapproché la réalisation pratique des processeurs quantiques.

Nous avons développé un circuit qui fonctionne à une température proche de zéro absolu et utilise tous les transistors du commerce. Certains d'entre eux sont si petits qu'ils peuvent être utilisés comme qubits, tandis que d'autres sont légèrement plus grands et peuvent être utilisés pour se connecter à différents qubits. Cette architecture est remarquablement similaire à celle utilisée pour la mémoire vive (RAM) dans les ordinateurs portables et les smartphones d'aujourd'hui.

Depuis un demi-siècle environ, les ordinateurs ordinaires sont passés d'armoires de la taille d'une pièce remplies de tubes à vide aux appareils portables à micropuce d'aujourd'hui. Il reste encore un long chemin à parcourir avant qu'un ordinateur quantique à part entière ne devienne disponible, mais l'histoire peut bien se répéter. Les progrès actuels de la recherche suggèrent que les processeurs quantiques initiaux peuvent d'abord être réalisés avec une technologie exotique. Mais maintenant que nous avons appris que le silicium peut être utilisé pour interconnecter efficacement des qubits, l'avenir quantique pourrait être fait de silicium.

Cet article est republié à partir de The Conversation sous une licence Creative Commons. Lire l'article original.