En utilisant l’IA, une équipe de chercheurs chinois est parvenue à assembler avec précision une grille de 2 024 atomes ultra-froids qui, convertis en qubits, ouvrent la voie au développement de processeurs quantiques plus grands que jamais. L’algorithme a optimisé la séquence de déplacement des « pinces optiques » pour organiser les atomes au sein d’une grille parfaite en seulement 60 millisecondes — une efficacité qui est restée constante, y compris pour des grilles plus grandes et plus complexes.
Différentes approches sont explorées pour le développement des bits quantiques (ou qubits) nécessaires aux calculs des ordinateurs quantiques. Parmi ces approches figurent par exemple les qubits supraconducteurs, les qubits d’ions piégés, les qubits photoniques et les qubits d’atomes ultra-froids électriquement neutres. Étudiés depuis peu, les atomes ultra-froids permettraient de conserver les propriétés quantiques beaucoup plus longtemps en étant refroidis à une température proche du zéro absolu, les isolant ainsi des bruits environnementaux et facilitant leur manipulation.
De plus, ils sont 10 000 fois plus petits que les qubits supraconducteurs et peuvent ainsi occuper des espaces bien moindres. Pour fonctionner, les qubits d’atomes ultra-froids sont placés à l’intérieur d’un réseau régulièrement espacé, par exemple une grille plane comportant des « micropièges » d’un micromètre de diamètre espacés de trois micromètres. Chaque micropiège constitue une sorte de puits où un atome peut se nicher afin de minimiser son énergie, un peu de la même manière qu’une bille roulant au fond d’un trou pour réduire au minimum son potentiel gravitationnel.
Cependant, cette approche pose un problème fondamental : le remplissage des micropièges est un processus aléatoire et chacun n’a qu’une chance sur deux d’être rempli. Or, chaque qubit d’atome ultra-froid doit être placé très précisément dans une grille uniforme pour conserver ses propriétés quantiques. Chaque point mal positionné ou vide au sein du réseau peut entraîner une erreur de calcul, car cela perturbe la cohérence des calculs quantiques.
Afin de remédier à ce problème de précision, les chercheurs de l’Université des sciences et des technologies de Chine ont utilisé un algorithme d’IA pour optimiser l’agencement des atomes au sein de grilles à micropièges. Leur technique a permis d’agencer avec précision un nombre record d’atomes ultra-froids selon des motifs complexes.
2 024 atomes ultra-froids assemblés dans une grille parfaite en 60 millisecondes
Les chercheurs utilisent une version améliorée d’une technique appelée « pinces optiques », couramment utilisée dans la recherche biomédicale pour la manipulation des protéines. Il s’agit de faisceaux laser piégeant et manipulant les atomes de sorte à créer des puits de potentiel profonds pour chaque atome à déplacer. Les atomes suivent les puits de potentiel pour être déplacés vers les emplacements adéquats en déplaçant les pinces. L’algorithme d’IA a été utilisé pour optimiser la séquence de déplacement des pinces et agencer avec précision des atomes de rubidium ultra-froids au sein d’une grille.
L’équipe a aligné un nombre impressionnant de 2024 atomes ultra-froids au sein d’une grille parfaite en seulement 60 millisecondes. Cette efficacité est restée constante même avec des grilles plus grandes et à motifs complexes. Les chercheurs ont démontré la flexibilité de l’IA en élaborant des grilles à motifs complexes, tels que plusieurs grilles empilées verticalement ou agencées en forme de lettres « U », « S », « T » et « C ».
Des processeurs pouvant comporter jusqu’à 10 000 qubits
Alors que la technique des pinces optiques a précédemment été utilisée pour de petites grilles de 50 à 100 qubits, l’IA a permis de l’étendre à des grilles pouvant contenir plusieurs milliers de qubits d’atome. Plus précisément, l’algorithme a divisé la grille en petites sous-sections et manipule ces dernières de manière simultanée – ouvrant la voie au développement de systèmes quantiques encore plus grands.
Les ordinateurs quantiques disposant de tels processeurs pourraient utiliser plusieurs milliers de qubits pour leurs calculs. À ce jour, le plus grand ordinateur quantique comporte 1180 qubits. Bien que les atomes agencés n’aient pas encore été convertis en qubits pour effectuer des calculs, les experts estiment que leur technique pourrait permettre de développer des processeurs comportant entre 1000 et 10 000 qubits d’atomes ultra-froids.
De précédentes recherches ont également montré que les processeurs quantiques à atomes ultra-froids ont des performances comparables à celles des meilleurs processeurs actuels à la fois en matière de nombre de qubits, de connectivité (le nombre de qubits pouvant interagir entre eux) et de cohérence (la durée au cours de laquelle les propriétés quantiques peuvent être conservées).
Cette avancée pourrait favoriser le développement d’applications pratiques pour les ordinateurs quantiques dans divers domaine, tels que la cryptographie, la science des matériaux, l’industrie pharmaceutique, etc. L’équipe chinoise prévoit, parallèlement à d’autres chercheurs, d’améliorer davantage la complexité des grilles de qubits d’atome ainsi que leur taille, afin d’exploiter pleinement leur potentiel.