Des scientifiques et des ingénieurs de l'Université de Sydney et de Microsoft Corporation ont ouvert le prochain chapitre de la technologie quantique avec l'invention d'une puce unique capable de générer des signaux de contrôle pour des milliers de qubits, les éléments constitutifs des ordinateurs quantiques.

"Pour réaliser le potentiel de l'informatique quantique, les machines devront faire fonctionner des milliers, voire des millions de qubits, " a déclaré le professeur David Reilly, un concepteur de la puce qui occupe un poste conjoint avec Microsoft et l'Université de Sydney.

« Les plus grands ordinateurs quantiques du monde fonctionnent actuellement avec une cinquantaine de qubits, ", a-t-il déclaré. "Cette petite échelle est en partie due aux limites de l'architecture physique qui contrôle les qubits."

"Notre nouvelle puce met fin à ces limites."

Les résultats ont été publiés dans Nature Électronique .

La plupart des systèmes quantiques nécessitent des bits quantiques, ou qubits, pour fonctionner à des températures proches du zéro absolu (-273,15 degrés). C'est pour éviter qu'ils ne perdent leur "quantité", le caractère de la matière ou de la lumière dont les ordinateurs quantiques ont besoin pour effectuer leurs calculs spécialisés.

Pour que les appareils quantiques fassent quoi que ce soit d'utile, ils ont besoin d'instructions. Cela signifie envoyer et recevoir des signaux électroniques vers et depuis les qubits. Avec l'architecture quantique actuelle, cela implique beaucoup de fils.

« Les machines actuelles créent une belle gamme de fils pour contrôler les signaux ; ils ressemblent à un nid d'oiseau doré inversé ou à un lustre. Ils sont jolis, mais fondamentalement peu pratique. Cela signifie que nous ne pouvons pas faire évoluer les machines pour effectuer des calculs utiles. Il y a un vrai goulot d'étranglement entrée-sortie, " dit le professeur Reilly, également chercheur en chef au ARC Center for Engineered Quantum Systems (EQUS) .

Ingénieur matériel senior Microsoft, Dr Kushal Das, un co-inventeur de la puce, a déclaré:"Notre appareil supprime tous ces câbles. Avec seulement deux fils transportant des informations en entrée, il peut générer des signaux de contrôle pour des milliers de qubits.

"Cela change tout pour l'informatique quantique."

La puce de contrôle a été développée aux Microsoft Quantum Laboratories de l'Université de Sydney, un partenariat unique entre l'industrie et le milieu universitaire qui change la façon dont les scientifiques abordent les défis de l'ingénierie.

« Construire un ordinateur quantique est peut-être la tâche d'ingénierie la plus difficile du 21e siècle. Cela ne peut pas être réalisé en travaillant avec une petite équipe dans un laboratoire universitaire dans un seul pays, mais nécessite l'échelle offerte par un géant mondial de la technologie comme Microsoft, " dit le professeur Reilly.

"Grâce à notre partenariat avec Microsoft, nous n'avons pas seulement suggéré une architecture théorique pour surmonter le goulot d'étranglement des entrées-sorties, nous l'avons construit.

"Nous l'avons démontré en concevant une puce de silicium personnalisée et en la couplant à un système quantique, ", a-t-il déclaré. "Je suis confiant de dire qu'il s'agit du circuit intégré le plus avancé jamais construit pour fonctionner à des températures cryogéniques profondes."

Si réalisé, les ordinateurs quantiques promettent de révolutionner les technologies de l'information en résolvant des problèmes dépassant le cadre des ordinateurs classiques dans des domaines aussi divers que la cryptographie, Médicament, la finance, intelligence artificielle et logistique.

Budget de puissance

Les ordinateurs quantiques sont à un stade similaire à celui des ordinateurs classiques dans les années 1940. Des machines comme ENIAC, le premier ordinateur électronique au monde, salles de systèmes de contrôle nécessaires pour réaliser toute fonction utile.

Il a fallu des décennies pour surmonter les défis scientifiques et techniques qui permettent désormais à des milliards de transistors de s'adapter à votre téléphone mobile.

"Notre industrie est confrontée à des défis peut-être encore plus importants pour faire passer l'informatique quantique au-delà du stade ENIAC, " dit le professeur Reilly.

"Nous devons concevoir des puces de silicium très complexes qui fonctionnent à 0,1 Kelvin, " a-t-il dit. " C'est un environnement 30 fois plus froid que l'espace lointain ".

La recherche doctorale du Dr Sebastian Pauka à l'Université de Sydney a englobé une grande partie du travail d'interface des dispositifs quantiques avec la puce. Il a déclaré : « fonctionner à des températures aussi froides signifie que nous avons un budget d'énergie incroyablement bas. Si nous essayons de mettre plus de puissance dans le système, nous surchauffons le tout."

Afin d'atteindre leur résultat, les scientifiques de Sydney et de Microsoft ont construit le circuit intégré le plus avancé pour fonctionner à des températures cryogéniques.

« Nous l'avons fait en concevant un système qui fonctionne à proximité des qubits sans perturber leurs opérations, " dit le professeur Reilly.

"Les systèmes de contrôle actuels des qubits sont éloignés de quelques mètres de l'action, pour ainsi dire. Ils existent principalement à température ambiante.

"Dans notre système, nous n'avons pas à sortir de la plate-forme cryogénique. La puce est juste là avec les qubits. Cela signifie une puissance inférieure et des vitesses plus élevées. C'est un véritable système de contrôle pour la technologie quantique."

Des années d'ingénierie

« Déterminer comment contrôler ces appareils prend des années de développement technique, " a déclaré le professeur Reilly. " Pour cet appareil, nous avons commencé il y a quatre ans lorsque l'Université de Sydney a commencé son partenariat avec Microsoft, qui représente le plus gros investissement dans la technologie quantique en Australie.

« Nous avons construit de nombreux modèles et bibliothèques de conception pour capturer le comportement des transistors à des températures cryogéniques profondes. Ensuite, nous avons dû construire des appareils, les faire vérifier, caractérisés et enfin les connecter à des qubits pour les voir fonctionner en pratique."

Vice-chancelier et principal de l'Université de Sydney, Professeur Stephen Garton, a déclaré :« Toute la communauté universitaire est fière du succès du professeur Reilly et nous attendons avec impatience de nombreuses années de partenariat continu avec Microsoft.

Le professeur Reilly a déclaré que le domaine avait maintenant fondamentalement changé. "Il ne s'agit pas seulement de 'voici mon qubit'. Il s'agit de la façon dont vous construisez toutes les couches et toute la technologie pour construire une vraie machine.

'Notre partenariat avec Microsoft nous permet de travailler avec une rigueur académique, avec l'avantage de voir nos résultats rapidement mis en pratique."

Le vice-chancelier adjoint (Recherche), Professeur Duncan Ivison, a déclaré :« Notre partenariat avec Microsoft a consisté à concrétiser la vision inspirée de David Reilly pour permettre la technologie quantique. C'est formidable de voir cette vision devenir une réalité.

Le professeur Reilly a déclaré:"Si nous étions restés uniquement dans le monde universitaire, cette puce n'aurait jamais été construite."

Le scientifique australien a déclaré qu'il ne s'arrêtait pas là.

"Nous commençons tout juste cette nouvelle vague d'innovation quantique, " a-t-il déclaré. " Ce qui est formidable avec ce partenariat, c'est que nous ne nous contentons pas de publier un article et de passer à autre chose. Nous pouvons maintenant poursuivre le plan pour réaliser la technologie quantique à l'échelle industrielle. »