L'année dernière, Google a produit un ordinateur quantique de 53 qubits capable d'effectuer un calcul spécifique beaucoup plus rapidement que le supercalculateur le plus rapide du monde. Comme la plupart des plus gros ordinateurs quantiques d'aujourd'hui, ce système possède des dizaines de qubits - les contreparties quantiques des bits, qui encodent les informations dans les ordinateurs conventionnels.

Pour créer des systèmes plus grands et plus utiles, la plupart des prototypes d'aujourd'hui devront surmonter les défis de la stabilité et de l'évolutivité. Ce dernier nécessitera d'augmenter la densité de la signalisation et du câblage, ce qui est difficile à faire sans dégrader la stabilité du système. Je crois qu'un nouveau schéma de câblage de circuit développé au cours des trois dernières années par l'équipe de recherche en électronique quantique supraconductrice de RIKEN, en collaboration avec d'autres instituts, ouvre la porte à une mise à l'échelle jusqu'à 100 qubits ou plus au cours de la prochaine décennie. Ici, Je discute comment.

Premier défi :l'évolutivité

Les ordinateurs quantiques traitent l'information en utilisant des interactions délicates et complexes basées sur les principes de la mécanique quantique. Pour expliquer cela davantage, nous devons comprendre les qubits. Un ordinateur quantique est construit à partir de qubits individuels, qui sont analogues aux bits binaires utilisés dans les ordinateurs conventionnels. Mais au lieu des états binaires zéro ou un d'un bit, un qubit doit maintenir un état quantique très fragile. Plutôt que d'être simplement zéro ou un, les qubits peuvent également être dans un état appelé superposition, où ils sont en quelque sorte dans un état à la fois zéro et un. Cela permet aux ordinateurs quantiques basés sur les qubits de traiter les données en parallèle pour chaque état logique possible, zéro ou un, et ils peuvent ainsi fonctionner plus efficacement, et donc plus rapide, calculs que les ordinateurs conventionnels basés sur des bits pour des types particuliers de problèmes.

Cependant, il est beaucoup plus difficile de créer un qubit qu'un bit conventionnel, et un contrôle total sur le comportement quantique d'un circuit est nécessaire. Les scientifiques ont mis au point quelques façons de le faire avec une certaine fiabilité. Chez RIKEN, un circuit supraconducteur avec un élément appelé jonction Josephson est utilisé pour créer un effet de mécanique quantique utile. De cette façon, les qubits peuvent désormais être produits de manière fiable et répétée avec des techniques de nanofabrication couramment utilisées dans l'industrie des semi-conducteurs.

Le défi de l'évolutivité découle du fait que chaque qubit a alors besoin d'un câblage et de connexions qui produisent des commandes et des lectures avec une diaphonie minimale. Alors que nous dépassions de minuscules tableaux de qubits deux par deux ou quatre par quatre, nous avons réalisé à quel point le câblage associé peut être emballé, et nous avons dû créer de meilleurs systèmes et méthodes de fabrication pour éviter de croiser nos fils, au sens propre.

Chez RIKEN, nous avons construit un tableau de qubits quatre par quatre en utilisant notre propre schéma de câblage, où les connexions à chaque qubit sont faites verticalement depuis l'arrière d'une puce, plutôt qu'une interface « puce retournée » distincte utilisée par d'autres groupes qui amène les plots de câblage aux bords d'une puce quantique. Cela implique une fabrication sophistiquée avec un réseau dense de vias supraconducteurs (connexions électriques) à travers une puce de silicium, mais cela devrait nous permettre de passer à des appareils beaucoup plus gros. Notre équipe travaille sur un appareil 64-qubit, que nous espérons avoir dans les trois prochaines années. Cela sera suivi d'un appareil de 100 qubits dans cinq ans dans le cadre d'un programme de recherche financé à l'échelle nationale. Cette plateforme devrait permettre à terme jusqu'à 1, 000 qubits à intégrer sur une seule puce.

Deuxième défi :la stabilité

L'autre défi majeur pour les ordinateurs quantiques est de savoir comment gérer la vulnérabilité intrinsèque des qubits aux fluctuations ou au bruit provenant de forces extérieures telles que la température. Pour qu'un qubit fonctionne, il doit être maintenu dans un état de superposition quantique, ou "cohérence quantique". Aux débuts des qubits supraconducteurs, nous pourrions faire durer cet état pendant quelques nanosecondes seulement. Maintenant, en refroidissant les ordinateurs quantiques à des températures cryogéniques et en créant plusieurs autres contrôles environnementaux, nous pouvons maintenir la cohérence jusqu'à 100 microsecondes. Quelques centaines de microsecondes nous permettraient d'effectuer quelques milliers d'opérations de traitement de l'information, en moyenne, avant que la cohérence ne soit perdue.

En théorie, une façon de gérer l'instabilité est d'utiliser la correction d'erreur quantique, où l'on exploite plusieurs qubits physiques pour encoder un seul "qubit logique, " et appliquer un protocole de correction d'erreurs qui peut diagnostiquer et corriger les erreurs pour protéger le qubit logique. Mais réaliser que cela est encore loin pour de nombreuses raisons, dont le moindre n'est pas le problème de l'évolutivité.

Circuits quantiques

Depuis les années 1990, avant que l'informatique quantique ne devienne une chose importante. Quand j'ai commencé, Je voulais savoir si mon équipe pouvait créer et mesurer des états de superposition quantique dans des circuits électriques. À l'époque, il n'était pas du tout évident que les circuits électriques dans leur ensemble pouvaient se comporter de manière quantique. Pour réaliser un qubit stable dans un circuit et créer des états d'activation et de désactivation dans le circuit, le circuit devait également être capable de supporter un état de superposition.

Nous avons finalement eu l'idée d'utiliser un circuit supraconducteur. L'état supraconducteur est exempt de toute résistance et pertes électriques, et donc il est rationalisé pour répondre aux petits effets de la mécanique quantique. Pour tester ce circuit, nous avons utilisé un îlot supraconducteur microscopique en aluminium, qui était connectée à une plus grande électrode de masse supraconductrice via une jonction Josephson - une jonction séparée par une barrière isolante d'un nanomètre d'épaisseur - et nous avons piégé des paires d'électrons supraconducteurs qui traversaient la jonction. En raison de la petitesse de l'îlot en aluminium, il pourrait accueillir au plus une paire en excès en raison d'un effet connu sous le nom de blocage de Coulomb entre les paires chargées négativement. Les états de zéro ou une paire en excès dans l'îlot peuvent être utilisés comme état d'un qubit. L'effet tunnel quantique maintient la cohérence du qubit et permet de créer une superposition des états, qui est entièrement contrôlé avec des impulsions micro-ondes.

Systèmes hybrides

En raison de leur nature très délicate, il est peu probable que les ordinateurs quantiques soient dans les maisons dans un proche avenir. Cependant, reconnaissant les énormes avantages des ordinateurs quantiques axés sur la recherche, des géants industriels comme Google et IBM, ainsi que de nombreuses start-up et instituts universitaires à travers le monde, investissent de plus en plus dans la recherche.

Une plate-forme commerciale d'informatique quantique avec correction d'erreurs complète est probablement encore dans plus d'une décennie, mais les développements techniques de pointe offrent déjà la possibilité de nouvelles sciences et applications. Les circuits quantiques à plus petite échelle effectuent déjà des tâches utiles en laboratoire.

Par exemple, nous utilisons notre plate-forme de circuits quantiques supraconducteurs en combinaison avec d'autres systèmes de mécanique quantique. Ce système quantique hybride nous permet de mesurer une seule réaction quantique au sein d'excitations collectives, qu'il s'agisse de précessions de spins d'électrons dans un aimant, vibrations du réseau cristallin dans un substrat, ou des champs électromagnétiques dans un circuit—avec une sensibilité sans précédent. Ces mesures devraient faire progresser notre compréhension de la physique quantique, et avec elle l'informatique quantique. Notre système est également suffisamment sensible pour mesurer un seul photon aux fréquences micro-ondes, dont l'énergie est inférieure d'environ cinq ordres de grandeur à celle d'un photon de lumière visible, sans l'absorber ni le détruire. L'espoir est que cela servira de bloc de construction pour les réseaux quantiques connectant des modules qubit distants, entre autres.

Internet quantique

L'interfaçage d'un ordinateur quantique supraconducteur à un réseau de communication quantique optique est un autre défi futur pour notre système hybride. Celui-ci serait développé en prévision d'un avenir qui inclurait un Internet quantique connecté par un câblage optique rappelant l'Internet d'aujourd'hui. Cependant, même un seul photon de lumière infrarouge à une longueur d'onde de télécommunication ne peut pas frapper directement un qubit supraconducteur sans perturber l'information quantique, une conception si soignée est un must. Nous étudions actuellement des systèmes quantiques hybrides qui transduisent des signaux quantiques d'un qubit supraconducteur à un photon infrarouge, et vice versa, via d'autres systèmes quantiques, comme celui qui implique un minuscule oscillateur acoustique.

Bien que de nombreux problèmes complexes doivent être surmontés, les scientifiques peuvent voir un avenir amélioré par les ordinateurs quantiques à l'horizon. En réalité, la science quantique est déjà entre nos mains tous les jours. Les transistors et les diodes laser n'auraient jamais été inventés sans une bonne compréhension des propriétés des électrons dans les semi-conducteurs, qui est totalement basé sur la compréhension de la mécanique quantique. Ainsi, grâce aux téléphones intelligents et à Internet, nous sommes déjà totalement dépendants de la mécanique quantique, et nous ne le deviendrons que davantage à l'avenir.