Les experts de l'Université Cornell envisagent de rendre le quantique pratique

La réalité, du moins telle que nous la connaissons, ne va pas si loin. Regardez d'assez près n'importe quel objet, jusqu'au niveau des molécules et des atomes, et le monde commence à jouer selon ses propres règles. C'est le domaine de la physique quantique : où les ondes d'énergie et les particules sont identiques, et où des phénomènes étranges comme la téléportation sont la norme. Ces traits énigmatiques pourraient être la clé de nouveaux ordinateurs et composants électroniques révolutionnaires. Au lieu d'utiliser des transistors en silicium, comme un ordinateur traditionnel ou un circuit intégré, les dispositifs quantiques s'appuient sur des particules subatomiques pour acheminer et traiter les informations, ce qui les rend plus rapides et plus puissants que tout autre matériel électronique que nous pouvons actuellement imaginer. Trois nouveaux professeurs de la Cornell's School of Electrical and Computer Engineering travaillent à rendre les dispositifs quantiques à la fois pratiques et évolutifs. Le professeur adjoint Karan Mehta, ainsi que le professeur adjoint Mohamed Ibrahim et le professeur agrégé Mark Wilde, vont chacun bien au-delà de la physique appliquée dans leur travail, incorporant des éléments de conception de circuits, de photonique, d'architecture de systèmes, de théorie de l'information et d'autres domaines pour faire des ordinateurs quantiques une réalité. Il s'agit essentiellement d'un seul atome suspendu dans le vide par des champs électriques et contrôlé par des lasers. En utilisant ces lasers pour manipuler le spin et la charge des atomes, il est possible de les "programmer" pour exécuter des algorithmes simples. Comme pour tout composant électronique, cependant, ces qubits ont des avantages et des inconvénients, note Mehta. Un avantage est que chaque ion est suspendu dans l'espace et isolé des autres atomes, ce qui signifie qu'il est exposé à très peu d'interférences ou de bruit. Mais le contrôle de ces qubits est compliqué, et à mesure que les systèmes deviennent de plus en plus grands, d'autres sources de bruit peuvent s'infiltrer dans le système, l'empêchant de fonctionner correctement. Se débarrasser de ce bruit est un élément essentiel de la construction d'un ordinateur quantique utile, qui nécessiterait des milliers, voire des millions de qubits. "Lorsque vous avez un grand nombre de qubits ioniques dans un système, les contrôler avec des millions de faisceaux laser se déplaçant dans l'espace libre devient très difficile", explique Mehta. "Chaque fois que vous ajoutez plus de qubits dans le système, la complexité de l'appareil de contrôle introduira plus d'erreurs et de bruit potentiels." En informatique quantique, ce bruit peut brouiller la sortie d'une machine. Lorsque de minuscules vibrations, de la chaleur ou toute autre chose qui perturbe de manière aléatoire un ion piégé apparaissent, les qubits perdent un trait critique appelé superposition - un phénomène où les électrons existent dans plusieurs états à la fois, permettant aux programmeurs d'exécuter différentes itérations d'un problème en même temps. Cependant, si du bruit est présent, cette superposition s'effondrera prématurément, créant des erreurs de calcul. Mehta tente de contourner cette limitation en utilisant des dispositifs à semi-conducteurs pour manipuler et détecter l'état de chaque qubit. Il pense que l'utilisation d'impulsions de lumière délivrées aux qubits et collectées dans des dispositifs de contrôle à base de puces basés sur la fibre optique peut être la clé de systèmes quantiques propres et à faible bruit. De tels systèmes pourraient permettre des systèmes à grande échelle et également réduire considérablement le bruit excessif, rendant les qubits plus stables. "D'un point de vue technique, cela peut résoudre l'éléphant dans la pièce, qui est le défi de contrôler ces systèmes quantiques autrement vierges", dit-il. "L'idée est de tirer parti des avantages fondamentaux de systèmes quantiques extrêmement propres et à faible bruit, ainsi que d'un matériel évolutif."Systèmes quantiques sur puceIbrahim est d'accord avec cette évaluation. Il travaille sur des systèmes quantiques évolutifs à l'échelle de la puce dans son laboratoire en utilisant les circuits intégrés (CI) avancés et minuscules d'aujourd'hui. Ibrahim développe des capteurs quantiques intégrés utilisant une forme spécialisée de cristaux de diamant. Au lieu de carbone pur, ces diamants sont ensemencés d'atomes d'azote. Lorsqu'il est associé à un site vacant, chaque atome d'azote introduit un centre de lacune d'azote (NV) avec de nouvelles propriétés uniques. travaille à combiner tous les éléments impliqués dans un seul dispositif miniaturisé à l'échelle de la puce, y compris une source radio micro-ondes sur puce et des circuits de détection de lumière rouge. Ceux-ci sont co-emballés avec un réseau cristallin de diamant et un émetteur laser vert. Des circuits intégrés comme ceux-ci, dit-il, pourraient avoir toutes sortes d'applications différentes, de la navigation globale à la détection de signaux bioélectriques dans le cœur et le cerveau - mais Ibrahim dit qu'il est également intéressé par la construction de contrôleurs intégrés pour les ordinateurs quantiques, où ils pourraient aider à résoudre un problème séculaire. utilisent des câbles, ce qui limite l'évolutivité à des milliers de qubits », dit-il. En utilisant des circuits intégrés cryogéniques comme intermédiaires, fonctionnant à quelques kelvins, il peut être possible de construire des contrôleurs multi-qubits qui peuvent s'adapter à un plus grand nombre de qubits beaucoup plus efficacement. très faible conductivité thermique, comme les fibres optiques. L'utilisation de circuits intégrés pour développer de nouvelles architectures pour interfacer ou contrôler directement les qubits permettrait d'augmenter leur nombre, permettant l'ère des ordinateurs quantiques à grande échelle. Programmer des qubitsMême si nous pouvons fabriquer un ordinateur quantique robuste ou efficace, nous n'irons pas très loin si nous ne trouvons pas les moyens les plus efficaces de l'utiliser - un domaine que Wilde étudie activement. Alors que ses collègues de l'École de génie électrique et informatique développent de nouveaux matériels et logiciels pour faire de ces appareils une réalité, Wilde tourne son attention vers la théorie de l'information quantique, ou les algorithmes complexes utilisés pour traiter les informations dans cet appareil. Sans surprise, dit-il, les ordinateurs quantiques sont beaucoup moins simples que les appareils classiques en silicium. Un ordinateur classique avec deux bits, chacun prenant les valeurs zéro et un, peut générer quatre combinaisons différentes de ces nombres (00, 01, 10 et 11), mais ne peut en calculer qu'un à la fois. Un ordinateur quantique, d'autre part, peut explorer les quatre réponses possibles à la fois - et par conséquent, nécessite des méthodes de programmation entièrement nouvelles. et assurez-vous que les parasites bruyants ne faussent pas la sortie de l'ordinateur. Une technique, note-t-il, consiste à rendre les algorithmes quantiques aussi efficaces que possible, en réduisant le temps qu'ils prennent pour s'exécuter et en limitant les risques de corruption des qubits par le bruit pendant le calcul. Bien qu'il travaille sur de nouvelles façons de construire des algorithmes quantiques robustes, le travail de Wilde n'est pas entièrement axé sur des solutions pratiques. Il essaie également de répondre aux énigmes avec un penchant plus philosophique. "Je veux comprendre les limites ultimes de la communication", dit-il. "Dans chaque tâche de communication, vous devrez effectuer une sorte de calcul à chaque extrémité, et dans chaque tâche de calcul, vous devrez communiquer entre les qubits à l'intérieur de l'ordinateur - donc le calcul et la communication sont inévitablement liés, et vous ne pourrez jamais les séparer." Dans cet esprit, demande-t-il, quelles sont les limites physiques de ces processus ? Et jusqu'où pouvons-nous les pousser ? Ces questions ne sont pas seulement des expériences de pensée abstraites ; ils sont le pain et le beurre du travail que Wilde et ses collègues font actuellement. Avec le temps, la recherche interdisciplinaire issue de leurs laboratoires pourrait révolutionner l'informatique et l'ingénierie électrique dans leur ensemble, ouvrant un éventail infini de nouvelles possibilités basées sur la physique quantique.