Cavités radiofréquence supraconductrices, comme celui que l'on voit ici, sont utilisés dans les accélérateurs de particules. Ils peuvent également résoudre l'un des plus gros problèmes auxquels est confronté le développement réussi d'un ordinateur quantique :la décohérence des qubits. Crédit :Reidar Hahn, Laboratoire Fermi
L'année dernière, les chercheurs du Fermilab ont reçu plus de 3,5 millions de dollars pour des projets qui explorent le domaine en plein essor de la science de l'information quantique. La recherche financée par la subvention couvre toute la gamme, de la construction et de la modélisation de dispositifs pouvant être utilisés dans le développement d'ordinateurs quantiques à l'utilisation d'atomes ultrafroids pour rechercher la matière noire.
Pour leur projet d'ordinateur quantique, Le physicien des particules du Fermilab Adam Lyon et l'informaticien Jim Kowalkowski collaborent avec des chercheurs du Laboratoire national d'Argonne, où ils exécuteront des simulations sur des ordinateurs hautes performances. Leurs travaux permettront de déterminer si des instruments appelés cavités radiofréquence supraconductrices, également utilisé dans les accélérateurs de particules, peut résoudre l'un des plus gros problèmes auxquels est confronté le développement réussi d'un ordinateur quantique :la décohérence des qubits.
"Fermilab a été le pionnier de la fabrication de cavités supraconductrices capables d'accélérer les particules à un degré extrêmement élevé dans un espace réduit, " dit Lyon, l'un des principaux scientifiques du projet. "Il s'avère que cela est directement applicable à un qubit."
Les chercheurs dans le domaine ont travaillé au développement de dispositifs informatiques quantiques réussis au cours des dernières décennies; jusque là, ça a été difficile. Ceci est principalement dû au fait que les ordinateurs quantiques doivent maintenir des conditions très stables pour maintenir les qubits dans un état quantique appelé superposition.
Superposition
Les ordinateurs classiques utilisent un système binaire de zéros et de uns, appelés bits, pour stocker et analyser les données. Huit bits combinés forment un octet de données, qui peuvent être enchaînés pour encoder encore plus d'informations. (Il y a environ 31,8 millions d'octets dans une chanson numérique moyenne de trois minutes.) En revanche, les ordinateurs quantiques ne sont pas contraints par un système binaire strict. Plutôt, ils fonctionnent sur un système de qubits, dont chacun peut prendre une plage continue d'états pendant le calcul. Tout comme un électron en orbite autour d'un noyau atomique n'a pas d'emplacement discret mais occupe plutôt toutes les positions de son orbite à la fois dans un nuage d'électrons, un qubit peut être maintenu dans une superposition de zéro et de un.
Puisqu'il y a deux états possibles pour tout qubit donné, une paire double la quantité d'informations manipulables :2 2 =4. Utilisez quatre qubits, et cette quantité d'informations passe à 2 4 =16. Avec cette augmentation exponentielle, il ne faudrait que 300 qubits intriqués pour coder plus d'informations qu'il n'y a de matière dans l'univers.
Les qubits peuvent être dans une superposition de 0 et 1, tandis que les bits classiques ne peuvent être que l'un ou l'autre. Crédit :Jerald Pinson
Positions parallèles
Les qubits ne représentent pas les données de la même manière que les bits. Parce que les qubits en superposition sont à la fois zéro et un, ils peuvent de la même manière représenter toutes les réponses possibles à un problème donné simultanément. C'est ce qu'on appelle le parallélisme quantique, et c'est l'une des propriétés qui rend les ordinateurs quantiques tellement plus rapides que les systèmes classiques.
La différence entre les ordinateurs classiques et leurs homologues quantiques pourrait être comparée à une situation dans laquelle il existe un livre avec quelques pages imprimées au hasard à l'encre bleue au lieu de noir. Les deux ordinateurs sont chargés de déterminer le nombre de pages imprimées dans chaque couleur.
"Un ordinateur classique parcourrait chaque page, " a dit Lyon. Chaque page serait marquée, un à la fois, comme étant soit imprimé en noir ou en bleu. "Un ordinateur quantique, au lieu de parcourir les pages séquentiellement, les traverserait tous en même temps.
Une fois le calcul terminé, un ordinateur classique vous donnerait une idée précise, réponse discrète. Si le livre avait trois pages imprimées en bleu, c'est la réponse que vous obtiendriez.
"Mais un ordinateur quantique est intrinsèquement probabiliste, " a déclaré Kowalkowski.
Cela signifie que les données que vous obtenez ne sont pas définitives. Dans un livre de 100 pages, les données d'un ordinateur quantique ne seraient pas seulement trois. Cela pourrait aussi vous donner, par exemple, un pour cent de chance d'avoir trois pages bleues ou un pour cent de chance d'avoir 50 pages bleues.
Un problème évident se pose lorsqu'on essaie d'interpréter ces données. Un ordinateur quantique peut effectuer des calculs incroyablement rapides en utilisant des qubits parallèles, mais il ne crache que des probabilités, lequel, bien sûr, n'est pas très utile, à moins que, C'est, la bonne réponse pourrait en quelque sorte avoir une probabilité plus élevée.
Quand les vagues se rencontrent, ils peuvent interférer de manière constructive, produisant une vague avec une crête plus élevée. Crédit :Jerald Pinson
Ingérence
Considérez deux vagues d'eau qui se rapprochent. Au fur et à mesure qu'ils se rencontrent, ils peuvent interférer de manière constructive, produisant une vague avec une crête plus élevée. Ou ils peuvent interférer de manière destructive, s'annulant pour qu'il n'y ait plus de vague à proprement parler. Les états qubit peuvent également agir comme des ondes, présentant les mêmes schémas d'interférence, une propriété que les chercheurs peuvent exploiter pour identifier la réponse la plus probable au problème qui leur est posé.
« Si vous pouvez créer une interférence entre les bonnes réponses et les mauvaises réponses, vous pouvez augmenter la probabilité que les bonnes réponses apparaissent plus que les mauvaises réponses, " a déclaré Lyon. "Vous essayez de trouver un moyen quantique de faire interférer de manière constructive les bonnes réponses et les mauvaises réponses d'interférer de manière destructive."
Lorsqu'un calcul est exécuté sur un ordinateur quantique, le même calcul est exécuté plusieurs fois, et les qubits sont autorisés à interférer les uns avec les autres. Le résultat est une courbe de distribution dans laquelle la réponse correcte est la réponse la plus fréquente.
Écouter les signaux au-dessus du bruit
Au cours des cinq dernières années, chercheurs dans les universités, les installations gouvernementales et les grandes entreprises ont fait des progrès encourageants vers le développement d'un ordinateur quantique utile. L'année dernière, Google a annoncé avoir effectué des calculs sur son processeur quantique appelé Sycamore en une fraction du temps qu'il aurait fallu au plus grand supercalculateur du monde pour accomplir la même tâche.
Pourtant, les appareils quantiques que nous avons aujourd'hui sont encore des prototypes, semblable aux premiers grands ordinateurs à tube à vide des années 194zéro.
Comme des vagues, ils peuvent également interférer de manière destructive, s'annulant pour qu'il n'y ait plus de vague à proprement parler. Crédit :Jerald Pinson
"Les machines que nous avons maintenant n'évoluent pas beaucoup du tout, ", a déclaré Lyon.
Les chercheurs doivent encore surmonter quelques obstacles avant que les ordinateurs quantiques ne deviennent viables et compétitifs. L'un des plus importants est de trouver un moyen de garder les états qubit délicats isolés suffisamment longtemps pour qu'ils puissent effectuer des calculs.
Si un photon parasite - une particule de lumière - provenant de l'extérieur du système devait interagir avec un qubit, son onde interférerait avec la superposition du qubit, essentiellement transformer les calculs en un désordre confus - un processus appelé décohérence. Alors que les réfrigérateurs font un travail modérément bon pour réduire au minimum les interactions indésirables, ils ne peuvent le faire que pendant une fraction de seconde.
"Les systèmes quantiques aiment être isolés, " Lyon a dit, "Et il n'y a tout simplement pas de moyen facile de le faire."
C'est là qu'interviennent les travaux de simulation de Lyon et Kowalkowski. Si les qubits ne peuvent pas être suffisamment froids pour maintenir une superposition d'états enchevêtrés, peut-être que les appareils eux-mêmes peuvent être construits de manière à les rendre moins sensibles au bruit.
Il s'avère que les cavités supraconductrices en niobium, normalement utilisé pour propulser des faisceaux de particules dans les accélérateurs, pourrait être la solution. Ces cavités doivent être construites de manière très précise et fonctionner à des températures très basses pour propager efficacement les ondes radio qui accélèrent les faisceaux de particules. Les chercheurs théorisent qu'en plaçant des processeurs quantiques dans ces cavités, les qubits pourront interagir sans être dérangés pendant des secondes plutôt que le record actuel de millisecondes, en leur laissant suffisamment de temps pour effectuer des calculs complexes.
Les qubits existent en plusieurs variétés différentes. Ils peuvent être créés en piégeant des ions dans un champ magnétique ou en utilisant des atomes d'azote entourés par le réseau de carbone formé naturellement dans les cristaux. Les recherches au Fermilab et à Argonne se concentreront sur les qubits fabriqués à partir de photons.
Lorsqu'un ordinateur quantique fonctionne, il doit être placé dans un grand réfrigérateur, comme celui illustré ici, pour refroidir l'appareil à moins d'un degré au-dessus du zéro absolu. Ceci est fait pour empêcher l'énergie de l'environnement environnant de pénétrer dans la machine. Crédit :Reidar Hahn, Laboratoire Fermi
Lyon et son équipe se sont chargés de simuler les performances attendues des cavités radiofréquences. En réalisant leurs simulations sur des ordinateurs performants, connu sous le nom de HPC, au Laboratoire National d'Argonne, ils peuvent prédire combien de temps les qubits photoniques peuvent interagir dans cet environnement à très faible bruit et tenir compte de toute interaction inattendue.
Des chercheurs du monde entier ont utilisé des logiciels open source pour ordinateurs de bureau afin de simuler différentes applications de la mécanique quantique, fournir aux développeurs des plans sur la façon d'intégrer les résultats dans la technologie. La portée de ces programmes, cependant, est limité par la quantité de mémoire disponible sur les ordinateurs personnels. Afin de simuler la mise à l'échelle exponentielle de plusieurs qubits, les chercheurs doivent utiliser des HPC.
"Passer d'un bureau à un HPC, tu as peut-être 10 ans, 000 fois plus rapide, " a déclaré Matthew Otten, membre du Laboratoire national d'Argonne et collaborateur du projet.
Une fois que l'équipe a terminé ses simulations, les résultats seront utilisés par les chercheurs du Fermilab pour aider à améliorer et tester les cavités pour agir comme des dispositifs de calcul.
« Si nous mettons en place un cadre de simulation, nous pouvons poser des questions très ciblées sur la meilleure façon de stocker l'information quantique et la meilleure façon de la manipuler, " a déclaré Eric Hollande, le directeur adjoint de la technologie quantique au Fermilab. "Nous pouvons l'utiliser pour guider ce que nous développons pour les technologies quantiques."
