Les ordinateurs quantiques d'aujourd'hui contiennent jusqu'à plusieurs dizaines d'unités de mémoire et de traitement, les qubits. Séverin Daiss, Stefan Langenfeld, et des collègues de l'Institut Max Planck d'optique quantique à Garching ont interconnecté avec succès deux de ces qubits situés dans différents laboratoires à un ordinateur quantique distribué en reliant les qubits avec une fibre optique de 60 mètres de long. Sur une telle distance, ils ont réalisé une porte logique quantique, le bloc de construction de base d'un ordinateur quantique. Cela fait du système le premier prototype au monde d'ordinateur quantique distribué.

Les limites des architectures qubit précédentes

Les ordinateurs quantiques sont considérablement différents des ordinateurs « binaires » traditionnels :on s'attend à ce que leurs réalisations futures effectuent facilement des calculs spécifiques pour lesquels les ordinateurs traditionnels prendraient des mois, voire des années, par exemple dans le domaine du cryptage et du décryptage des données. Alors que les performances des ordinateurs binaires résultent de grandes mémoires et de cycles de calcul rapides, le succès de l'ordinateur quantique repose sur le fait qu'une seule unité de mémoire - un bit quantique, également appelé "qubit" - peut contenir des superpositions de différentes valeurs possibles en même temps. Par conséquent, un ordinateur quantique ne calcule pas seulement un résultat à la fois, mais au lieu de cela, de nombreux résultats possibles en parallèle. Plus il y a de qubits interconnectés dans un ordinateur quantique; les calculs les plus complexes qu'il peut effectuer.

Les opérations de calcul de base d'un ordinateur quantique sont des portes de logique quantique entre deux qubits. Une telle opération modifie - en fonction de l'état initial des qubits - leurs états de mécanique quantique. Pour qu'un ordinateur quantique soit supérieur à un ordinateur normal pour divers calculs, il devrait interconnecter de manière fiable plusieurs dizaines, voire des milliers de qubits pour également des milliers d'opérations quantiques. Malgré de belles réussites, tous les laboratoires actuels ont encore du mal à construire un ordinateur quantique aussi grand et fiable, puisque chaque qubit supplémentaire requis rend beaucoup plus difficile la construction d'un ordinateur quantique en une seule configuration. Les qubits sont implémentés, par exemple, avec des atomes simples, éléments supraconducteurs, ou particules légères, qui doivent tous être parfaitement isolés les uns des autres et de l'environnement. Plus il y a de qubits les uns à côté des autres, plus il est difficile à la fois de les isoler et de les contrôler de l'extérieur.

Ligne de données et unité de traitement combinées

Une façon de surmonter les difficultés techniques dans la construction d'ordinateurs quantiques est présentée dans une nouvelle étude de la revue Science par Séverin Daiss, Stefan Langenfeld et ses collègues du groupe de recherche de Gerhard Rempe à l'Institut Max Planck d'optique quantique à Garching. Dans ce travail soutenu par l'Institut des sciences photoniques (Castelldefels, Espagne), l'équipe a réussi à connecter deux modules qubit sur une distance de 60 mètres de manière à former efficacement un ordinateur quantique de base avec deux qubits. « À travers cette distance, nous effectuons une opération de calcul quantique entre deux configurations de qubit indépendantes dans des laboratoires différents, " souligne Daiss. Cela permet de fusionner des ordinateurs quantiques plus petits en une unité de traitement commune.

Le simple couplage de qubits distants pour générer l'intrication entre eux a été réalisé dans le passé, mais maintenant, la connexion peut en outre être utilisée pour des calculs quantiques. Dans ce but, les chercheurs ont utilisé des modules constitués d'un seul atome en tant que qubit positionné au milieu de deux miroirs. Entre ces modules, ils envoient un seul quanta de lumière, un photon, qui est transporté dans la fibre optique. Ce photon est ensuite intriqué avec les états quantiques des qubits dans les différents modules. Ensuite, l'état d'un des qubits est modifié en fonction de l'état mesuré du "photon ancilla, " en réalisant une opération CNOT de mécanique quantique avec une fidélité de 80 %. Une prochaine étape serait de connecter plus de deux modules et d'héberger plus de qubits dans les modules individuels.

Ordinateurs quantiques plus performants grâce à l'informatique distribuée

Le chef d'équipe et directeur de l'institut, Gerhard Rempe, pense que le résultat permettra de faire progresser la technologie :"Notre projet ouvre une nouvelle voie de développement pour l'informatique quantique distribuée." Il pourrait permettre, par exemple, pour construire un ordinateur quantique distribué composé de nombreux modules avec peu de qubits interconnectés avec la méthode nouvellement introduite. Cette approche pourrait contourner la limitation des ordinateurs quantiques existants pour intégrer plus de qubits dans une seule configuration et pourrait donc permettre des systèmes plus puissants.