Une nouvelle étude souligne la nécessité de faire progresser les matériaux dans le matériel qui entre dans la fabrication des ordinateurs quantiques si ces appareils futuristes doivent surpasser les capacités des ordinateurs que nous utilisons aujourd'hui.

L'étude, publié dans la revue Science par une équipe internationale, a examiné l'état de la recherche sur le matériel informatique quantique dans le but d'illustrer les défis et les opportunités auxquels sont confrontés les scientifiques et les ingénieurs.

Alors que les ordinateurs conventionnels encodent des « bits » d'informations sous forme de uns et de zéros, les ordinateurs quantiques passent outre cet arrangement binaire en créant des « qubits, ' ce qui peut être complexe, quantités continues. Le stockage et la manipulation d'informations sous cette forme exotique – et finalement l'obtention d'un « avantage quantique » où les ordinateurs quantiques font des choses que les ordinateurs conventionnels ne peuvent pas faire – nécessitent un contrôle sophistiqué des matériaux sous-jacents.

« Il y a eu une explosion du développement des technologies quantiques au cours des 20 dernières années, " dit Nathalie de Léon, professeur adjoint d'ingénierie électrique et informatique à l'Université de Princeton et auteur principal de l'article, « aboutissant aux efforts actuels pour montrer un avantage quantique pour une variété de tâches, de l'informatique et de la simulation à la mise en réseau et à la détection."

Jusque récemment, la plupart de ces travaux ont visé à démontrer des dispositifs et des processeurs quantiques de preuve de principe, de Léon a dit, mais maintenant, le domaine est prêt à relever les défis du monde réel.

« Tout comme le matériel informatique classique est devenu un domaine énorme de la science et de l'ingénierie des matériaux au siècle dernier, Je pense que le domaine des technologies quantiques est maintenant mûr pour une nouvelle approche, où les scientifiques des matériaux, chimistes, les ingénieurs d'appareils et autres scientifiques et ingénieurs peuvent apporter leur expertise de manière productive au problème. »

L'article est un appel aux scientifiques qui étudient les matériaux pour relever le défi du développement de matériel pour l'informatique quantique, dit Hanhee Paik, auteur correspondant et membre du personnel de recherche d'IBM Quantum.

« Les progrès des technologies de l'informatique quantique se sont accélérés ces dernières années tant dans la recherche que dans l'industrie, " Paik a déclaré. " Pour continuer à aller de l'avant dans la prochaine décennie, nous aurons besoin de progrès dans les matériaux et les technologies de fabrication pour le matériel informatique quantique, de la même manière que l'informatique classique a progressé dans la mise à l'échelle des microprocesseurs. Les percées ne se font pas du jour au lendemain, et nous espérons que davantage de personnes dans la communauté des matériaux commenceront à travailler sur la technologie de l'informatique quantique. Notre article a été rédigé pour donner à la communauté des matériaux un aperçu complet de l'état d'avancement du développement des matériaux en informatique quantique avec des opinions d'experts du domaine. »

Au cœur des ordinateurs quantiques se trouvent les qubits, qui travaillent ensemble pour produire des résultats.

Ces qubits peuvent être réalisés de différentes manières, les technologies de pointe étant les qubits supraconducteurs, qubits fabriqués à partir de piégeage d'ions avec la lumière, qubits fabriqués à partir des matériaux de silicium trouvés dans les ordinateurs d'aujourd'hui, qubits capturés dans des "centres de couleur" dans des diamants de haute pureté, et des qubits topologiquement protégés représentés dans des particules subatomiques exotiques. L'article a analysé les principaux défis technologiques associés à chacun de ces matériaux et propose des stratégies pour s'attaquer à ces problèmes.

Les chercheurs espèrent qu'une ou plusieurs de ces plates-formes finiront par progresser jusqu'au stade où l'informatique quantique pourra résoudre des problèmes que les machines d'aujourd'hui trouvent impossibles, comme la modélisation du comportement des molécules et la fourniture d'un cryptage électronique sécurisé.

"Je pense que [cet article] est la première fois que ce genre d'image complète a été assemblé. Nous avons priorisé" montrer notre travail, ' et expliquant le raisonnement derrière la sagesse reçue pour chaque plate-forme matérielle, " a déclaré de Leon. "Nous espérons que cette approche permettra aux nouveaux entrants dans le domaine de trouver des moyens d'apporter une grande contribution."

Les dix co-auteurs proviennent d'instituts de recherche du monde entier ainsi que du centre de recherche IBM T. J. Watson, qui possède un important groupe de recherche en informatique quantique. Les scientifiques se sont rencontrés lors d'un symposium sur les matériaux pour l'informatique quantique parrainé par IBM Quantum et la Fondation Kavli et organisé lors de la réunion d'automne de la Materials Research Society en 2019. Ils ont ensuite passé une grande partie de leur temps pendant la période de confinement de la pandémie l'année dernière à développer ce document de synthèse.

"Ce fut une expérience formidable de travailler avec un groupe aux expertises aussi diverses, et une grande partie de notre activité consistait à nous poser des questions difficiles sur les raisons pour lesquelles nous croyions ce que nous faisions à propos de nos plateformes matérielles respectives, " dit de Léon, dont la recherche exploite les défauts des matériaux diamantés pour permettre la communication entre les nœuds d'un futur Internet quantique.