Qu'est-ce qu'un ordinateur quantique et en quoi consiste-t-il? Tous les ordinateurs n'ont pas droit à un tel nom. Pourquoi il en est ainsi et pourquoi de telles installations sont nécessaires, explique Christopher Monroe, professeur à l'Université du Maryland et l'un des principaux acteurs de la «course quantique» mondiale.
Le Russian Quantum Center organise régulièrement de grandes conférences internationales à Moscou consacrées au développement des technologies quantiques et à leur application pratique. Non seulement des chercheurs de premier plan participent à ses travaux, mais également des représentants de grandes entreprises et des représentants du gouvernement russes et étrangers.
Cette année, la conférence a réuni les dirigeants de trois équipes scientifiques menant à la création de systèmes informatiques quantiques complexes. Outre Mikhail Lukin, professeur à l'Université Harvard (États-Unis), qui a annoncé pour la première fois la création d'un ordinateur record de 51 qubits lors de la précédente conférence, les professeurs Christopher Monroe et Harmut Neven y ont pris part.
Monroe, qui travaille aujourd'hui à l'Université du Maryland (États-Unis), a créé une machine de puissance similaire presque simultanément à son homologue russo-américain, en utilisant des principes similaires, mais légèrement différents.
Il a parlé de la direction dans laquelle ce système se développe, en quoi il diffère des «concurrents» et où se situe la frontière entre les vrais ordinateurs quantiques, qui correspondent pleinement à ce terme, et les systèmes informatiques construits sur la base des principes classiques.
Supériorité quantique
Les ordinateurs quantiques sont des dispositifs informatiques spéciaux dont la puissance augmente de façon exponentielle en raison de l'utilisation des lois de la mécanique quantique dans leur travail. Tous ces dispositifs sont constitués de qubits - cellules de mémoire et en même temps de modules de calcul primitifs capables de stocker une plage de valeurs entre zéro et un.
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Aujourd'hui, il existe deux approches principales pour le développement de tels dispositifs - classique et adiabatique. Les partisans du premier d'entre eux tentent de créer un ordinateur quantique universel, dans lequel les qubits obéiraient aux règles selon lesquelles les appareils numériques ordinaires fonctionnent. Travailler avec un tel appareil informatique, idéalement, ne serait pas très différent de la façon dont les ingénieurs et les programmeurs utilisent les ordinateurs conventionnels.
Un ordinateur adiabatique est plus facile à créer, mais il est plus proche dans ses principes de fonctionnement de l'ajout de machines, de règle à calcul et d'ordinateurs analogiques du début du XXe siècle, et non des appareils numériques de notre temps. Il existe également des approches hybrides qui combinent les caractéristiques des deux machines. Parmi eux, selon Monroe, peut être attribué à l'ordinateur de Mikhail Lukin.
Selon Monroe, cela est dû au fait que les cellules de mémoire de sa machine sont construites à partir d'ions de l'ytterbium, un métal de terre rare, dont l'état ne change pas lorsqu'il est manipulé avec des faisceaux laser. L'ordinateur quantique de Lukin, à son tour, est construit sur la base des soi-disant atomes de Rydberg, qui ne sont pas protégés de telles influences.
Ce sont des atomes de rubidium-87 ou d'autres métaux alcalins, dont l'électron libre a été «poussé» à une très grande distance du noyau à l'aide d'impulsions spéciales d'ondes laser ou radio. Pour cette raison, la taille de l'atome augmente d'environ un million de fois, ce qui le transforme en qubit, mais, comme Monroe l'a expliqué, ne permet pas de le déplacer sans déformer cette structure et détruire les états quantiques.
L'absence de tels problèmes dans les ions, selon le physicien américain, a permis à son équipe de créer non pas un ordinateur quantique hybride, mais un ordinateur quantique entièrement contrôlé, dont les qubits scientifiques peuvent manipuler directement au cours de l'informatique.
Par exemple, il y a trois ans, bien avant la création de machines plus grosses, Monroe et son équipe ont annoncé avoir réussi à créer le premier ordinateur quantique reprogrammable, composé de cinq cellules mémoire. Cette modeste machine, grâce à sa grande flexibilité, permettait aux physiciens d'exécuter plusieurs programmes quantiques sur elle à la fois.
Ils ont notamment réussi à faire fonctionner les algorithmes Deutsch-Jozy, Bernstein-Vazirani sur ce mini-ordinateur, ainsi qu'à créer une version quantique des transformées de Fourier, pierre angulaire de la cryptographie et de sa rupture.
Ces succès, ainsi que la difficulté de garder un grand nombre d'ions dans des pièges, note Monroe, l'ont incité à penser que les systèmes informatiques quantiques devraient être construits de manière modulaire plutôt que monolithique. En d'autres termes, les ordinateurs quantiques «sérieux» ne seront pas un tout unique, mais une sorte de réseau, composé de nombreux modules similaires et assez simples.
Vide imparfait
De tels systèmes, comme l'a noté le professeur américain, existent déjà, mais ne sont pas encore utilisés dans les prototypes d'ordinateurs quantiques pour une raison simple: ils fonctionnent environ cent fois plus lentement que les qubits eux-mêmes. Néanmoins, il estime que ce problème est tout à fait résoluble, car il a un caractère technique plutôt que scientifique.
Un autre problème potentiel qui interférera avec le fonctionnement d'ordinateurs monolithiques ou simplement de grands ordinateurs quantiques est que le vide, comme l'a dit Monroe, n'est pas parfait. Il contient toujours un petit nombre de molécules, dont chacune peut entrer en collision avec des qubits atomiques et interférer avec leur travail.
La seule façon de surmonter ce problème est de refroidir davantage l'ordinateur quantique, aussi près que possible du zéro absolu. L'équipe de Monroe n'est pas encore engagée dans ce domaine, car le nombre de qubits dans leur machine est faible, mais à l'avenir, ce problème devra certainement être résolu.
L'approche modulaire, comme le suggère le professeur américain, sera une autre manière de résoudre ce problème, car elle permettra de décomposer l'ordinateur en de nombreuses parties indépendantes contenant un nombre relativement faible de qubits. En théorie, elle ne fonctionnera pas aussi vite qu'une machine monolithique, mais elle contournera le problème du "vide imparfait", puisque les modules seront plus faciles à refroidir et à contrôler.
Quand ce moment viendra-t-il? Comme le suggère Monroe, dans les trois à cinq prochaines années, des machines seront créées comprenant plusieurs centaines de qubits. Ils seront capables d'effectuer plusieurs dizaines de milliers d'opérations et ne nécessiteront pas de systèmes de refroidissement extrêmes ou de correction d'erreurs pour fonctionner.
De telles machines seront capables de résoudre de nombreux problèmes pratiques complexes, mais ce ne seront pas des ordinateurs à part entière au sens classique du terme. Pour ce faire, vous devrez augmenter le nombre de qubits et leur «apprendre» à corriger indépendamment les erreurs dans leur travail. Ceci, selon le physicien, prendra encore cinq ans.
Dernière ligne droite de la course
Les premiers ordinateurs quantiques complexes, selon Monroe, seront construits sur la base de technologies ioniques ou atomiques, car toutes les autres variantes de qubits, y compris les cellules de mémoire à semi-conducteurs prometteuses, n'ont pas encore atteint un niveau de développement similaire.
«Jusqu'à présent, ce sont toutes des expériences de laboratoire universitaire. Ces qubits ne peuvent pas être utilisés pour créer des portes logiques complètes. Par conséquent, je suis d'accord avec Mikhail sur le fait que nos collègues d'Australie, d'Intel et d'autres équipes devront résoudre de nombreux problèmes pratiques avant de pouvoir créer un système informatique à part entière », note le physicien.
Comment déterminer le vainqueur de cette "course quantique"? Il y a deux ans, Monroe et ses collègues ont tenté de répondre à cette question en organisant le premier test comparatif des ordinateurs quantiques. Ils ont choisi un ordinateur quantique IBM basé sur des qubits supraconducteurs comme concurrent pour la première version de leur machine.
Pour les comparer, des physiciens et des programmeurs de l'Université du Maryland ont préparé le premier ensemble de «repères quantiques» - des algorithmes simples qui mesurent à la fois la précision et la vitesse de ces ordinateurs. Le test n'a pas révélé de gagnant direct - l'ordinateur de Monroe et de son équipe a gagné exactement, mais a perdu de sa vitesse face à la machine IBM.
Dans le même temps, Monroe estime que la soi-disant supériorité quantique - la création d'un ordinateur quantique, dont le comportement ne peut être calculé par d'autres méthodes - ne sera pas une réalisation scientifique ou pratique sérieuse.
«Le problème réside dans le concept lui-même. D'une part, nos expériences avec cinq douzaines de qubits, comme les expériences de Mikhail, ont aidé à calculer ces choses qui ne peuvent être calculées autrement. D'un autre côté, cela ne peut pas être appelé supériorité, car nous ne pouvons pas prouver qu'elle ne peut vraiment pas être calculée d'une autre manière. La supériorité quantique apparaîtra tôt ou tard, mais personnellement, je ne vais pas la poursuivre », a souligné le scientifique.
Une autre difficulté réside dans le fait que nous ne pouvons pas encore dire avec certitude quels problèmes les ordinateurs quantiques peuvent résoudre et où leur application sera la plus justifiée et utile. Pour cela, il est nécessaire que l'environnement scientifique et la société tout entière commencent à percevoir ces machines comme un outil abordable et universel.
Mystères quantiques de l'univers
Pour cette raison, le professeur américain ne pense pas que les systèmes informatiques adiabatiques comme les appareils D-Wave puissent être appelés ordinateurs quantiques. Leur travail, selon le physicien, est basé sur des principes physiques tout à fait classiques qui n'ont rien à voir avec la vraie mécanique quantique.
«Malgré cela, les ordinateurs analogiques comme ceux-ci sont extrêmement intéressants d'un point de vue pratique. Vous pouvez simplement prendre quelques aimants, les attacher à un maillage triangulaire et tracer leur comportement. Ces expériences n'auront rien à voir avec la physique quantique, mais elles permettront des calculs d'optimisation complexes. Les investisseurs s'y intéressent, ce qui signifie que cela n'est pas fait en vain », poursuit le professeur.
Quelles tâches un "vrai" ordinateur quantique peut-il résoudre? Comme l'a noté Monroe, ces dernières années, de nombreuses autres équipes de physiciens ont contacté son équipe. Ils prévoient d'utiliser leur machine pour résoudre de nombreux problèmes scientifiques importants qui ne peuvent être calculés sur un ordinateur conventionnel.
Jusqu'à présent, les mêmes expériences, comme l'a admis le physicien, peuvent être menées sur des supercalculateurs ordinaires. En revanche, dans les années à venir, le nombre de qubits dans les machines quantiques augmentera considérablement, ce qui rendra leur travail incalculable.
Cela élargira leur applicabilité et fera de ces expériences l'un des moyens les plus intéressants et uniques d'étudier les objets les plus grands et les plus mystérieux de l'univers, ainsi que de résoudre de nombreuses tâches quotidiennes, telles que trouver des itinéraires ou gérer l'économie, conclut le chercheur.
