À la recherche de signes de ces étranges influences cosmiques, des scientifiques du Thomas Jefferson National Accelerator Facility du Département américain de l’énergie ont conçu un dispositif pour mesurer leurs effets supposés sur les électrons en rotation. Ensuite, ils ont réalisé que l’idée était prometteuse dans un autre domaine :l’informatique quantique.

Les ordinateurs quantiques constituent la prochaine frontière des technologies de l’information. Autrefois confinées à la théorie lointaine et à la science-fiction, ces machines exploitent les forces farfelues et merveilleuses du monde submicroscopique pour résoudre des problèmes qui pourraient être trop difficiles pour les ordinateurs classiques (pensez aux 1 et aux 0) et même pour les supercalculateurs massifs et à échelle extrême de aujourd'hui.

Cette quête mondiale en plein essor a fait d’énormes progrès ces dernières années, les grandes entreprises technologiques, les startups et les gouvernements recherchant un mélange de plates-formes, chacune ayant ses forces et ses faiblesses. Mais en raison de la mécanique délicate sur laquelle ces systèmes fonctionnent, la quête de plusieurs décennies pour les rendre utilisables de manière fiable et pratique s'est jusqu'à présent révélée insaisissable.

Aujourd'hui, une équipe dirigée par le Jefferson Lab jette son chapeau dans le ring avec un « CPU » unique né de la technologie des accélérateurs de particules et de l'étude de l'univers visible. Il pourrait rivaliser, voire surpasser, certains des prototypes bruyants et énergivores à l'étude.

"Nous trouvons de nouvelles voies pour notre expertise existante en physique nucléaire", a déclaré Riad Suleiman, chercheur principal de l'étude. "Notre objectif est d'ouvrir une nouvelle ère de recherche en informatique quantique au Jefferson Lab."

Bague familière

Suleiman se spécialise dans les injecteurs, les dispositifs qui imprègnent les accélérateurs de particules de leurs faisceaux. Il a commencé à travailler au Jefferson Lab en tant qu'étudiant à la Kent State University en 1995 et a rejoint l'équipe à temps plein en 2007 après des séjours en tant que boursier postdoctoral au MIT et à Virginia Tech. Suleiman a rejoint Vasiliy Morozov, un ancien physicien des accélérateurs du Jefferson Lab qui travaille au laboratoire national d'Oak Ridge du DOE, et Matt Grau, un expert en informatique quantique à ions piégés de l'université Old Dominion.

Un brevet complet a été déposé sur leur « cœur » informatique quantique, qui consiste à piéger des atomes chargés (ions) et à les injecter dans une ligne de lumière en forme de huit. Cet anneau en acier inoxydable scellé sous vide est conçu pour maintenir la rotation des ions pendant leur circulation. Stockés de cette manière, les atomes peuvent agir comme des bits quantiques, des qubits en abrégé.

Le projet a débuté en 2022 dans le cadre du programme de recherche et développement dirigé par le laboratoire (LDRD) du Jefferson Lab, mais son histoire remonte à loin.

Morozov a passé plus d'une décennie au Jefferson Lab avant de rejoindre Oak Ridge en 2020. Il a participé aux premiers concepts de conception du collisionneur électron-ion (EIC), un accélérateur de particules de nouvelle génération en cours de construction au laboratoire national de Brookhaven du DOE en partenariat avec Laboratoire Jefferson.

L'une des conceptions de l'EIC impliquait des lignes de lumière en forme de huit, comprenant un anneau pour stocker les électrons avant qu'ils n'entrent en collision avec des ions accélérés.

"Le défi dans certains accélérateurs est que le spin de toutes les particules pointe dans la même direction", a déclaré Morozov, qui est toujours impliqué dans l'EIC. "Vous devez les maintenir alignés car, si vous n'y faites pas attention, vous vous retrouvez avec une orientation complètement chaotique. Le chiffre huit a été proposé comme moyen universel de maintenir cet alignement pour les expériences de précision."

La sélection finale de l'EIC par le DOE était une conception essentiellement circulaire, mais le modèle en huit n'a pas été abandonné. Suleiman et Morozov ont formé une équipe pour explorer une autre utilisation de ces nouveaux anneaux :la recherche d'indices sur l'origine et la structure de l'univers.

Le monde physique doit son existence à un excès de matière par rapport à l'antimatière, et Suleiman a déclaré que les anneaux en huit sont un endroit idéal pour mesurer les propriétés des électrons qui pourraient expliquer ce déséquilibre. Tournant à l'intérieur de ces anneaux, les particules élémentaires devraient également être hypersensibles aux forces hypothétiques liées à la matière noire et à l'énergie noire.

Au cours de ces recherches, l'équipe de Suleiman a imaginé une autre utilisation des anneaux.

"C'est ainsi que l'idée est née", a déclaré Suleiman.

Royaume quantique

Les ordinateurs quantiques ne proposent pas nécessairement un processeur plus rapide ou plus petit, vous n'en trouverez donc pas un sur votre bureau ou sur vos genoux de si tôt. Ils ont simplement accès à un espace informatique différent.

"Pour certains des problèmes les plus difficiles auxquels les supercalculateurs s'attaquent aujourd'hui, les ordinateurs quantiques ont le potentiel de les résoudre de manière extrêmement efficace", a déclaré Grau.

Les domaines qui pourraient en bénéficier incluent la cryptographie, la science des données, les algorithmes de recherche et l’intelligence artificielle. Un autre exemple est la modélisation de systèmes quantiques, tels que les nanomatériaux, la chimie quantique, l'optique quantique et les théories quantiques des champs.

"Il s'avère que ces ordinateurs sont très efficaces pour résoudre les problèmes de physique quantique", a déclaré Grau. "C'est vraiment utile si vous souhaitez simuler les voies de certaines réactions chimiques ou le fonctionnement d'une protéine intéressante dans un médicament. Plutôt que de l'essayer dans un bécher, vous pouvez l'essayer dans un ordinateur qui parle naturellement le langage de la mécanique quantique. ."

Les qubits peuvent être assimilés aux bits binaires d’un ordinateur classique. Mais au lieu de représenter uniquement un 1 ou un 0, ils peuvent représenter simultanément de nombreux états calculables différents grâce à l’étrange propriété quantique de superposition. Leur puissance de traitement peut être encore amplifiée en les reliant ensemble via une autre fonctionnalité quantique originale appelée intrication.

L'intrication est une étrangeté fondamentale des systèmes quantiques dans laquelle les états physiques des particules, comme le spin, peuvent être directement corrélés, en principe même s'ils sont distants de plusieurs années-lumière. Cela peut être accompli dans un piège qui confine les ions – dans ce cas, l’Ytterbium – à l’aide d’un champ électrique oscillant. Le piège est sous ultravide et refroidi à des températures plus froides que l'espace profond.

"Un millionième de degré au-dessus du zéro absolu est l'endroit où tout le mouvement a été pratiquement gelé, et ces particules sont complètement immobiles", a déclaré Grau. "À ces températures très froides, vous pouvez obtenir un contrôle extrême. Ceci est essentiel au fonctionnement des ordinateurs quantiques."

À partir de là, une combinaison de champs électriques statiques et variables dans le temps injecte les ions dans l'anneau.

Note huit

De grandes entreprises technologiques telles qu'Amazon, Google, Microsoft et IBM explorent l'informatique quantique supraconductrice, et une autre équipe du Jefferson Lab s'associe au secteur privé pour explorer l'électronique numérique supraconductrice ultra-économe en énergie. D'autres entreprises et startups s'intéressent aux atomes neutres, aux ions piégés et à la photonique, mais il est difficile de savoir quelle technologie se démarquera du lot.

On peut soutenir que l’exigence la plus critique d’un ordinateur quantique est qu’il soit une « boîte fermée », ce qui signifie qu’il doit être isolé du reste de l’univers. Les interférences externes ou les fuites d'informations de l'intérieur peuvent perturber la mer mousseuse de probabilités sur laquelle l'ordinateur fonctionne.

L'isolement par la prévention et l'annulation des interactions externes permet aux ions de maintenir leurs états quantiques. Cette qualité s'appelle cohérence, et elle doit durer suffisamment longtemps pour que l'ordinateur puisse exécuter ses algorithmes complexes.

Grâce au vide de la ligne de lumière et à l'annulation naturelle des effets de rotation dans une configuration en huit, un tel anneau devrait offrir des temps de cohérence supérieurs à trois heures. Comme dans la franchise "Ant-Man" de Marvel Cinematic Universe, trois heures représentent une vie dans le monde quantique, et cette durée de vie dépasse de loin l'état actuel de la technique.

À titre de comparaison, l'ordinateur supraconducteur Condor d'IBM offre des temps de cohérence d'environ 200 microsecondes, et le système de 216 qubits de Xanadu peut durer environ 34 millisecondes sans décohération. Le système d'ions piégés H2 de Quantinuum fonctionne un peu mieux que ces plates-formes avec une cohérence supérieure à 100 secondes, et la plate-forme à atomes neutres d'Atom Computing a une durée de 40 secondes.

L’anneau en huit devrait également surpasser ces systèmes en termes de nombre de qubits qu’il peut stocker. Mesurant environ 12 mètres de long et 6 mètres de large, soit environ la superficie d'un petit appartement, ces anneaux pourraient accumuler jusqu'à 3 000 qubits. Ils peuvent encore évoluer en empilant plusieurs anneaux, a déclaré Suleiman. Le simple nombre de qubits contribuerait grandement à la tolérance aux pannes et à la correction des erreurs.

"Être capable de calculer avec précision avec correction d'erreur signifie généralement que vous avez besoin de beaucoup plus de qubits que vous n'en auriez pour satisfaire les besoins de votre algorithme", a déclaré Grau. "En fin de compte, la mise à l'échelle est vraiment le grand défi auquel tous les ordinateurs quantiques doivent faire face."

Pendant ce temps, le Condor d'IBM fonctionne avec 1 121 qubits et la machine à atomes neutres d'Atom Computing en possède 1 180. Le H2 de Quantinuum utilise actuellement 32 qubits, tout comme le système d'ions piégés Forte d'IonQ.

Brookhaven Lab étudie également les anneaux de stockage pour l'informatique quantique, mais son modèle breveté est de conception elliptique et repose sur un refroidissement extrême du faisceau. Pendant ce temps, l'équipe de Suleiman est sur le point d'obtenir un brevet complet pour son huit qui tire parti d'effets de spin quantiques plutôt robustes n'impliquant pas de caractéristiques quantiques difficiles à réaliser du mouvement orbital de la particule.

"L'anneau de stockage en forme de huit a été développé simplement pour préserver la rotation des particules", a déclaré Suleiman. "C'est un concept très simple mais qui s'est avéré fructueux lorsqu'on l'applique à différents domaines. Si nous pouvons commencer à démontrer ses capacités, nous pourrons un jour travailler avec une entreprise pour développer davantage l'idée."