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Ordinateur quantique: Qu’est-ce que c’est ?

Par Julian, le décembre 13, 2020 — Ordinateur quantique — 11 minutes de lecture
Ordinateur Quantique

La course aux ordinateurs quantiques s’intensifie à mesure que les technologies alternatives se développent. Les systèmes à ions piégés gagnent du terrain dans la quête d’un ordinateur quantique commercial.

Une technologie de construction d’ordinateurs quantiques, longtemps négligée par les grandes entreprises, prend de l’ampleur. Au cours de la dernière décennie, l’informatique quantique est passée de l’exercice académique à la grande entreprise. Les projecteurs se sont surtout braqués sur une approche : les minuscules boucles supraconductrices adoptées par les géants technologiques tels qu’IBM et Intel. Les supraconducteurs ont permis à Google de prétendre l’année dernière qu’il avait obtenu un « avantage quantique » grâce à une machine quantique qui, pour la première fois, a effectué un calcul particulier qui dépasse les capacités pratiques du meilleur ordinateur classique. Mais une approche distincte, utilisant des ions piégés dans des champs électriques, gagne du terrain dans la quête d’un ordinateur quantique commercial.

Au début de l’année, la société technologique et manufacturière Honeywell a lancé son premier ordinateur quantique utilisant des ions piégés comme base de ses bits quantiques ou « qubits », sur lesquels elle travaillait discrètement depuis plus de dix ans. Honeywell, dont le siège social se trouve à Charlotte, en Caroline du Nord, est la première entreprise établie à suivre cette voie. En octobre, sept mois après le lancement, la société a dévoilé une machine améliorée ; elle a déjà des plans pour l’étendre.

Et le mois dernier, IonQ, une spin-out de l’université du Maryland, a annoncé une machine à ions piégés qui pourrait s’avérer compétitive par rapport à celles d’IBM ou de Google, bien que la société n’ait pas encore publié les détails de ses performances. Des entreprises dérivées plus petites, telles que Universal Quantum, basée au Royaume-Uni, et Alpine Quantum Technology, basée à Innsbruck, en Autriche, attirent également des investissements dans des projets de technologie à ions piégés.

Les ordinateurs quantiques à ions piégés sont loin d’être nouveaux : ils étaient à la base des qubits du premier circuit quantique de base en 19951 , bien avant que quelqu’un n’utilise des boucles supraconductrices. Mais les efforts visant à rassembler tous les éléments constitutifs pour construire des systèmes commerciaux viables « éclatent en quelque sorte sur la scène maintenant », déclare Daniel Slichter, physicien quantique au National Institute of Standards and Technology (NIST) de Boulder, dans le Colorado.

Je pense qu’aujourd’hui, les gens disent « supraconducteurs » et « ions piégés » dans la même phrase, alors qu’ils ne disaient pas cela il y a cinq ans », explique Chris Monroe, physicien à l’université du Maryland à College Park, qui a travaillé sur l’expérience de 1995 et est co-fondateur de IonQ. L’informatique quantique n’en est qu’à ses débuts, et bien que diverses entreprises se bousculent pour prétendre que leur ordinateur quantique est le plus avancé (voir « Qui est le meilleur ? »), il est trop tôt pour dire quels types de matériel – s’il y en a – prévaudront. Comme les entreprises adoptent un éventail de technologies, le domaine est plus vaste que jamais.

Calculs massifs

Les ordinateurs classiques stockent leurs informations sous forme de 1 et de 0, mais les qubits existent dans une délicate superposition de 1 et de 0. Grâce au phénomène quantique d’intrication, les états des qubits peuvent s’entremêler, et l’interférence de leurs états quantiques ondulatoires devrait permettre à un ordinateur quantique d’effectuer certains calculs massifs de manière exponentielle plus rapidement que les meilleures machines classiques. Il s’agit notamment de trouver les facteurs des nombres premiers.

Tout système présentant deux états mécaniques quantiques possibles – comme les oscillations d’une boucle supraconductrice ou les niveaux d’énergie d’un ion – pourrait former un qubit, mais tous les types de matériel présentent des avantages et des inconvénients, et chacun d’entre eux est confronté à des obstacles importants pour former un ordinateur quantique à part entière. Une machine capable de tenir les promesses initiales de l’informatique quantique, par exemple en cassant le cryptage classique, nécessiterait des millions de qubits contrôlables individuellement. Mais la taille n’est pas le seul problème : la qualité des qubits et la manière dont ils sont reliés entre eux sont tout aussi importantes.

La fréquence des erreurs dans les qubits délicats et leurs opérations, causées par le bruit, a tendance à augmenter à mesure qu’un plus grand nombre de qubits sont connectés. Pour que des millions de qubits puissent être calculés ensemble, chacun d’entre eux doit fonctionner avec des taux d’erreur suffisamment bas pour que les erreurs puissent être détectées et corrigées dans le cadre d’un processus appelé « correction d’erreurs », bien que les physiciens espèrent également que des systèmes plus petits et plus bruyants s’avéreront utiles à court terme.

Avantages et inconvénients

Ces dernières années, les progrès rapides des boucles supraconductrices risquaient de laisser des ions piégés dans la poussière. Google et IBM, entre autres, ont mis au point des machines d’une cinquantaine de qubits de haute qualité ou plus. IBM vise à disposer d’une machine de 1 000 qubits d’ici 2023. John Martinis, physicien quantique à l’université de Californie à Santa Barbara – et, jusqu’en avril, responsable du matériel quantique chez Google – pense que Google utilisera la même architecture de base que celle qu’il a utilisée pour obtenir l’avantage quantique afin de réaliser la correction des erreurs, la prochaine grande étape.

Ordinateur Quantique Google

Les qubits supraconducteurs ont jusqu’à présent bénéficié du fait que de nombreuses entreprises s’y sont senties familières, leurs composants de base étant compatibles avec la technologie classique des puces. Mais les qubits à ions piégés, qui stockent des informations dans les niveaux d’énergie de chaque atome chargé maintenu dans un champ électrique, présentent de nombreux avantages inhérents, explique Sabrina Maniscalco, physicienne quantique à l’université d’Helsinki. Leurs opérations sont beaucoup moins sujettes aux erreurs et les états quantiques délicats des ions individuels durent plus longtemps que ceux des qubits supraconducteurs, qui, bien que petits, sont toujours constitués d’un très grand nombre d’atomes. De plus, les qubits supraconducteurs ont tendance à n’interagir qu’avec leurs voisins les plus proches, alors que les ions piégés peuvent interagir avec de nombreux autres, ce qui facilite l’exécution de certains calculs complexes, dit-elle.

Mais les ions piégés ont des inconvénients : ils sont plus lents à interagir que les qubits supraconducteurs, ce qui sera important pour tenir compte des erreurs en temps réel qui sortent du système, explique Michele Reilly, fondatrice de la société de logiciels quantiques Turing à New York. Et il y a des limites au nombre d’ions qui peuvent tenir dans un seul piège et être amenés à interagir. Le dernier modèle d’IonQ contient 32 ions piégés qui se trouvent dans une chaîne ; en prélever deux à l’aide de lasers les fait interagir. Pour atteindre des centaines de qubits, la société travaille sur des moyens de relier plusieurs chaînes de qubits à l’aide de photons. L’entreprise vise à doubler le nombre de qubits chaque année.

Ordinateur Quantique 2

Parallèlement, Honeywell prévoit d’interconnecter chaque ion en les faisant physiquement circuler autour d’une puce géante2 – une idée développée pour la première fois au NIST à la fin des années 1990. Le dernier système de la division Honeywell Quantum Solutions (HQS) de la firme, appelé H1, ne comporte que 10 qubits, mais sa responsable scientifique Patty Lee affirme que la firme travaille déjà sur sa prochaine itération. Dans les cinq prochaines années, l’équipe prévoit de connecter environ 20 qubits, ce qui devrait permettre à la machine de résoudre des problèmes qui, autrement, ne seraient pas réalisables sur des machines classiques, explique Tony Uttley, président de HQS.

Le défi consiste à conserver la qualité et la précision des qubits, tout en contrôlant des dizaines, voire des centaines, de qubits à la fois – ce que ni Honeywell ni IonQ n’ont encore montré qu’ils pouvaient faire. Bien que de nombreux composants nécessaires aient été maîtrisés individuellement, « ce qu’il faut, c’est une approche intégrative au niveau du système qui rassemble tout cela, le teste et résout ses problèmes », explique Barbara Terhal, physicienne théorique à l’université de technologie de Delft aux Pays-Bas.

Qui est le meilleur ?

Les laboratoires rivalisent depuis longtemps pour construire l’ordinateur quantique ayant le plus de qubits. Mais il est difficile de déterminer quelle machine est la plus puissante, explique Sabrina Maniscalco, physicienne quantique à l’université d’Helsinki. « Il n’y a pas qu’une seule mesure de la performance », dit-elle.

En juin, l’entreprise technologique Honeywell de Charlotte, en Caroline du Nord, a déclaré avoir fabriqué l’ordinateur quantique le plus puissant du monde, mesuré par le « volume quantique ». Cette mesure prend en compte le nombre de qubits, la connectivité, le bruit et les taux d’erreur d’un système, qui rendent compte de la complexité des problèmes qu’il peut résoudre. Le volume quantique de la machine était de 64, soit le double de celui de l’appareil d’IBM, alors en tête du marché. En tant qu’outil de comparaison, le volume quantique est meilleur que le seul nombre de qubits, mais il reste une mesure assez grossière, explique M. Maniscalco.

Ordinateur Quantique Google

Les comparaisons directes – une autre façon de mesurer les capacités relatives des appareils – ne sont pas toujours productives, car la performance de tout ordinateur dépend de la tâche, explique Margaret Martonosi, directrice de la direction informatique de la Fondation nationale des sciences des États-Unis à Alexandria, en Virginie. Sans savoir comment les caractéristiques cruciales seront mises à l’échelle, les performances d’un prototype nous en disent peu sur la puissance d’une version grandeur nature, ajoute-t-elle.

Lorsqu’elles utilisent un système de mesure, les entreprises doivent se garder de faire de grandes déclarations, explique Doug Finke, un informaticien d’Orange County, en Californie, qui dirige le site de suivi de l’industrie Quantum Computing Report. L’affirmation d’Honeywell selon laquelle sa machine était la plus puissante était prématurée, car peu de développeurs utilisent le volume quantique, dit-il. Et en octobre, la première fois qu’IonQ a officiellement utilisé la métrique, la société dérivée de l’université du Maryland a déclaré qu’elle s’attendait à ce que sa dernière machine ait un volume quantique de 4 millions, qui, s’il était confirmé, dépasserait le record de Honeywell.

Une autre mesure de la puissance est la capacité d’un ordinateur quantique à battre une machine classique sur un problème – ce que Google a fait l’année dernière en utilisant une machine de 54 bits. Pour Finke, la réalisation de cet « avantage quantique » dans un problème commercialement valable est « la vraie mesure du succès d’un ordinateur quantique ».

Pas de vainqueur incontestable

Le matériel à ions piégés n’est pas le seul à attirer des investissements substantiels. Le succès des qubits supraconducteurs a ouvert les portes à diverses technologies, selon M. Slichter, notamment les qubits de spin à base de silicium, qui stockent des informations quantiques dans les états de spin nucléaire d’un atome intégré dans un cristal de silicium. Dans un coup d’éclat pour cette technologie, M. Martinis a rejoint le Silicon Quantum Computing à Sydney, en Australie, lors d’un congé sabbatique de 6 mois en septembre – son premier éloignement des systèmes supraconducteurs depuis près de deux décennies. Il ne se soucie pas de savoir quelle conception finit par l’emporter. « Je veux aider quelqu’un à construire le premier ordinateur quantique. Ce n’est pas forcément moi [ou] ce avec quoi je travaille », dit-il.

La course est également loin d’être appelée, dit Maniscalco, et un gagnant pourrait ne jamais émerger. « Il se peut qu’il n’y ait pas une seule plateforme gagnante, mais nous avons un hybride ou différentes plateformes qui sont utiles pour différentes tâches ».

Julian

Julian

Je suis correspondant principal chez WebVZ; le site hebdomadaire consacré à l'avenir des médias, la technologie, la culture (série, film, musique) et jeux-vidéo. J'anime parfois (en plus de mes articles), une série de d'interviews percutantes avec les principaux acteurs de l'industrie des médias et de la technologie.