Pendant des décennies, la poursuite de l’informatique quantique s’est heurtée au besoin de températures extrêmement basses, à peine quelques fractions de degré au-dessus du zéro absolu (0 Kelvin ou –273,15°C). En effet, les phénomènes quantiques qui confèrent aux ordinateurs quantiques leurs capacités de calcul uniques ne peuvent être exploités qu'en les isolant de la chaleur du monde classique familier dans lequel nous vivons.
Un seul bit quantique ou « qubit », l’équivalent du bit binaire « zéro ou un » au cœur de l’informatique classique, nécessite un grand appareil de réfrigération pour fonctionner. Cependant, dans de nombreux domaines où nous espérons que les ordinateurs quantiques réaliseront des percées, comme dans la conception de nouveaux matériaux ou de nouveaux médicaments, nous aurons besoin d'un grand nombre de qubits, voire d'ordinateurs quantiques entiers, fonctionnant en parallèle.
Les ordinateurs quantiques capables de gérer les erreurs et de s’auto-corriger, essentiels pour des calculs fiables, devraient avoir une échelle gargantuesque. Des entreprises comme Google, IBM et PsiQuantum se préparent à un avenir composé d'entrepôts entiers remplis de systèmes de refroidissement et consommant d'énormes quantités d'énergie pour faire fonctionner un seul ordinateur quantique.
Mais si les ordinateurs quantiques pouvaient fonctionner à des températures même légèrement plus élevées, ils pourraient être beaucoup plus faciles à utiliser et beaucoup plus largement disponibles. Dans une nouvelle recherche publiée dans Nature , notre équipe a montré qu'un certain type de qubit (les spins d'électrons individuels) peut fonctionner à des températures autour de 1K, bien plus élevées que les exemples précédents.
Les systèmes de refroidissement deviennent moins efficaces à des températures plus basses. Pour aggraver les choses, les systèmes que nous utilisons aujourd’hui pour contrôler les qubits sont des fils entrelacés qui rappellent l’ENIAC et d’autres énormes ordinateurs des années 1940. Ces systèmes augmentent l'échauffement et créent des goulots d'étranglement physiques empêchant les qubits de fonctionner ensemble.
Plus nous essayons d’intégrer de qubits, plus le problème devient difficile. À un certain moment, le problème de câblage devient insurmontable.
Après cela, les systèmes de contrôle doivent être intégrés aux mêmes puces que les qubits. Cependant, ces composants électroniques intégrés consomment encore plus d'énergie et dissipent plus de chaleur que le gros désordre de câbles.
Nos nouvelles recherches pourraient offrir une voie à suivre. Nous avons démontré qu'un type particulier de qubit, constitué d'un point quantique imprimé avec des électrodes métalliques sur du silicium, utilisant une technologie similaire à celle utilisée dans la production de micropuces existante, peut fonctionner à des températures autour de 1K.
Il ne s'agit que d'un degré au-dessus du zéro absolu, il fait donc encore extrêmement froid. Cependant, il fait nettement plus chaud qu’on ne le pensait auparavant. Cette percée pourrait condenser l’infrastructure de réfrigération tentaculaire en un système unique plus gérable. Cela réduirait considérablement les coûts opérationnels et la consommation d'énergie.
La nécessité de tels progrès technologiques n’est pas seulement académique. Les enjeux sont importants dans des domaines tels que la conception de médicaments, où l'informatique quantique promet de révolutionner la façon dont nous comprenons et interagissons avec les structures moléculaires.
Les dépenses de recherche et développement dans ces secteurs, qui se chiffrent en milliards de dollars, soulignent les économies potentielles et les gains d'efficacité liés à des technologies informatiques quantiques plus accessibles.
Les qubits « plus chauds » offrent de nouvelles possibilités, mais ils introduiront également de nouveaux défis en matière de correction et de contrôle des erreurs. Des températures plus élevées pourraient bien signifier une augmentation du taux d'erreurs de mesure, ce qui créerait des difficultés supplémentaires pour maintenir l'ordinateur fonctionnel.
Le développement des ordinateurs quantiques en est encore à ses débuts. Les ordinateurs quantiques seront peut-être un jour aussi omniprésents que les puces de silicium d'aujourd'hui, mais le chemin vers cet avenir sera semé d'obstacles techniques.
Nos récents progrès dans l'exploitation des qubits à des températures plus élevées constituent une étape clé vers la simplification des exigences du système.
Cela laisse espérer que l'informatique quantique pourra s'affranchir des limites des laboratoires spécialisés pour s'intégrer à la communauté scientifique plus large, à l'industrie et aux centres de données commerciaux.
Plus d'informations : Jonathan Y. Huang et al, Opération de qubit de spin haute fidélité et initialisation algorithmique au-dessus de 1 K, Nature (2024). DOI :10.1038/s41586-024-07160-2
Informations sur le journal : Nature
Fourni par The Conversation
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