Informatique quantique : une nouvelle étape franchie avec une puce cryogénique

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| Getty

Au cours des dernières années, le développement de l’informatique quantique a subi un essor considérable, et de nombreuses étapes technologiques d’importance ont été franchies. Cependant, un problème demeure : le nombre de qubits (bits quantiques) utilisables reste fortement contraint par les systèmes de contrôle électronique employés ; ces derniers étant généralement volumineux et produisant une chaleur difficilement conciliable avec l’environnement quantique des qubits. Toutefois, une équipe de chercheurs pourrait avoir résolu une partie du problème en développant une puce cryogénique capable d’assurer la gestion électronique des qubits à des températures proches du zéro absolu. Cela permettrait d’augmenter considérablement le nombre de qubits utilisables, et donc la puissance des futurs ordinateurs quantiques.

Des chercheurs ont mis au point un nouveau type de puce informatique cryogénique capable de fonctionner à des températures si froides qu’elle s’approche de la limite théorique du zéro absolu. Ce système cryogénique, appelé Gooseberry, jette les bases de ce qui pourrait être une révolution dans l’informatique quantique — permettant à une nouvelle génération de machines d’effectuer des calculs avec des milliers de qubits ou plus, alors que les appareils les plus avancés d’aujourd’hui n’en comprennent que des dizaines.

« Les plus grands ordinateurs quantiques du monde fonctionnent actuellement avec seulement 50 qubits. Cette petite échelle est en partie due aux limites de l’architecture physique qui contrôle les qubits », explique le physicien quantique David Reilly de l’Université de Sydney et du laboratoire quantique de Microsoft.

Un environnement quantique nécessitant des températures extrêmes

Cette architecture physique est contrainte en raison des conditions extrêmes dont les qubits ont besoin pour effectuer des calculs quantiques. Contrairement aux bits binaires des ordinateurs traditionnels, qui prennent une valeur de 0 ou 1, les qubits sont basés sur la superposition quantique, autorisant des valeurs de 0, 1 et les deux simultanément.

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Un qubit peut prendre les valeurs 0, 1 et 0/1 (superposition). Pour maintenir le principe de superposition quantique, les qubits doivent être placés dans un environnement extrêmement froid, limitant ainsi leur nombre. © IBM

Ce principe de la mécanique quantique signifie que les ordinateurs quantiques peuvent théoriquement résoudre des problèmes mathématiques extrêmement complexes auxquels les ordinateurs classiques ne pourraient jamais répondre (ou prendre des années pour le faire). À ce jour, les chercheurs ont été limités dans le nombre de qubits qu’ils ont pu déployer avec succès dans les systèmes quantiques.

L’une des raisons à cela est que les qubits ont besoin de niveaux extrêmes de froid pour fonctionner (en plus d’autres conditions contrôlées), et le câblage électrique utilisé dans les systèmes informatiques quantiques d’aujourd’hui produit inévitablement des niveaux de chaleur faibles mais suffisants qui perturbent les exigences thermiques. Les scientifiques cherchent des moyens de contourner cela, mais de nombreuses innovations quantiques à ce jour dépendent de la conception de plates-formes de câblage volumineuses pour maintenir les températures stables pour augmenter le nombre de qubits, mais cette solution a ses propres limites.

Une puce pouvant fonctionner à de très basses températures

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La solution à ce goulot d’étranglement pourrait être Gooseberry : une puce de contrôle cryogénique qui peut fonctionner à des températures « millikelvin », juste une infime fraction de degré au-dessus du zéro absolu. Cette capacité thermique extrême signifie que la puce peut s’intégrer à l’intérieur de l’environnement réfrigéré super froid des qubits, s’interfacer avec eux et transmettre les signaux des qubits à un noyau secondaire qui se trouve à l’extérieur dans un autre réservoir extrêmement froid, immergé dans l’hélium liquide.

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Image de la puce cryogénique Gooseberry (rouge) à côté de la puce de test contenant les qubits (bleu) et d’un résonateur électronique (violet). © Microsoft

Ce faisant, elle supprime tout le câblage en excès et le surplus de chaleur qu’ils génèrent, ce qui signifie que les goulots d’étranglement des qubits dans l’informatique quantique pourraient bientôt appartenir au passé. « Cette puce est le système électronique le plus complexe capable de fonctionner à cette température. C’est la première fois qu’une puce à signaux mixtes avec 100’000 transistors fonctionne à -273.05 °C », explique Reilly.

En fin de compte, l’équipe s’attend à ce que leur système puisse permettre à des milliers de qubits d’être contrôlés par la puce cryogénique — soit environ 20 fois plus que ce qui est possible aujourd’hui. À l’avenir, le même type d’approche pourrait permettre aux ordinateurs quantiques d’opérer à un tout autre niveau.

Sources : Nature Electronics

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