Un trio de physiciens propose d’utiliser des circuits imprimés à base de cristaux temporels pour résoudre les problèmes persistants d’erreur des ordinateurs quantiques. Cela permettrait notamment de stabiliser suffisamment les bits quantiques (qubits) pour réduire la dégradation de leurs états quantiques et par extension, de l’information qu’ils contiennent.
Bien qu’ils promettent de révolutionner le traitement d’information, le déploiement des ordinateurs quantiques se heurte à des difficultés majeures. Si la plupart sont considérées comme étant susceptibles d’être surmontées, l’une d’entre elles, notamment la vulnérabilité aux erreurs, fait ruminer les chercheurs.
En effet, les qubits sont extrêmement fragiles et difficiles à stabiliser. Leurs états quantiques peuvent s’altérer au moindre « bruit » lorsqu’ils interagissent entre eux au cours de l’exécution des calculs. Cela conduit à un processus de décohérence rendant les résultats illisibles ainsi qu’à la perte des informations stockées avant la fin de l’exécution des tâches. Cette décohérence provoque des erreurs dans les systèmes de calcul quantique. On estime que les meilleurs ordinateurs quantiques produisent en moyenne une erreur sur mille opérations, ce qui est non négligeable comparé aux ordinateurs classiques.
Dans un nouvel effort pour résoudre ces problèmes d’erreur, des chercheurs de l’Université de Jagellonne (en Pologne) et de l’Université technologique de Swinburn (en Australie) proposent une technique qui permettrait aux qubits d’interagir entre eux sans altérer leurs états quantiques. Le concept — détaillé sur le serveur de préimpression arXiv — repose sur l’utilisation de circuits imprimés à base de cristaux temporels.
Des interactions de qubits sans altération des états quantiques
Les cristaux temporels sont des structures périodiques dans le temps et dans l’espace. Contrairement à leurs homologues uniquement spatiaux, ces structures forment spontanément des motifs répétitifs à la fois dans l’espace et dans le temps. Alors que les cristaux présentent des réseaux d’atomes complexes et répétitifs, les cristaux temporels contiennent des motifs de mouvement périodique. Autrement dit, des réseaux qui se répètent dans le temps. Ces cristaux peuvent être créés par le biais de systèmes à entraînement périodique.
Depuis leur découverte, des questions ont été explorées sur la manière dont les structures cristallines temporelles peuvent être utilisées et si leur potentiel d’application est supérieur à celui des cristaux conventionnels. Des études ont par exemple montré qu’ils permettent d’observer différents comportements exotiques de la matière, tels que la localisation d’Anderson (l’absence de diffusion des ondes dans un milieu désordonné).
Plus récemment, il a été suggéré que leur configuration particulière en fait des candidats idéaux pour la stabilisation des qubits. Une précédente étude a notamment montré qu’un cristal temporel peut servir de régulateur pour maintenir les qubits dans un état de fluctuation temporelle contrôlée. De leur côté, les chercheurs de la nouvelle étude suggèrent que sa structure cristalline pourrait servir de circuit imprimé à l’intérieur duquel les qubits pourraient circuler sans perte d’information.
Un circuit imprimé temporel serait fabriqué à partir d’atomes ultra-froids se déplaçant selon des motifs répétitifs par le biais d’un entraînement par résonance. La résonance désigne un phénomène selon lequel certains systèmes physiques (électriques, mécaniques, etc.) peuvent être particulièrement influencés par certaines fréquences. Des tunnels d’atomes entre les différents sites de connexion permettraient aux qubits d’interagir entre eux sans altérer leurs états quantiques. Cela signifie que les qubits seraient dispersés et resteraient toujours en mouvement.
« Nos résultats indiquent que les limitations rencontrées dans la construction de dispositifs utilisant des cristaux spatiaux conventionnels peuvent être surmontées en adoptant des structures cristallines dans le temps », ont écrit les chercheurs dans leur rapport.
D’autre part, le circuit permettrait aux qubits distants d’interagir entre eux d’une manière qui ne serait pas possible avec les ordinateurs quantiques actuels — ce qui permettrait d’effectuer des calculs plus complexes. En outre, « comme toutes les connexions entre les sites peuvent être contrôlées, il est possible de produire une large gamme de dispositifs quantiques, allant de structures à un, deux, trois ou plusieurs dimensions à des objets plus exotiques qui peuvent tous être connectés de manière arbitraire », expliquent-ils.
Toutefois, la construction d’un ordinateur quantique disposant d’un tel circuit imprimé temporel nécessite encore plusieurs années de recherches et d’expérimentation, précisent les chercheurs. Néanmoins, la disponibilité de certains types de cristaux temporels à des fins expérimentales pourrait accélérer ce développement. Les experts suggèrent en outre que les cristaux à base de potassium ultra-froid pourraient constituer une excellente piste pour entamer les expériences.