Des ordinateurs quantiques pratiques pourraient bientôt voir le jour, avec de profondes implications pour tout, de la découverte de médicaments au décryptage de codes.
Dans une étape vers la construction de meilleures machines quantiques, des chercheurs du Oak Ridge National Laboratory ont récemment mesuré le courant électrique entre une pointe métallique atomiquement pointue et un supraconducteur. Cette nouvelle méthode permet de trouver des électrons liés avec une extrême précision, ce qui pourrait aider à détecter de nouveaux types de supraconducteurs, qui ne présentent aucune résistance électrique.
« Les circuits supraconducteurs sont actuellement les plus avancés pour la construction de bits quantiques (qubits) et de portes quantiques dans le matériel », a déclaré Toby Cubitt, directeur de Phasecraft, une société qui construit des algorithmes pour les applications quantiques, dans une interview par courriel. « Les qubits supraconducteurs sont des circuits électriques à l’état solide, qui peuvent être conçus avec une grande précision et une grande flexibilité. »
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Action sinistre
Les ordinateurs quantiques tirent parti du fait que les électrons peuvent sauter d’un système à un autre à travers l’espace en utilisant les propriétés mystérieuses de la physique quantique. Si un électron s’associe à un autre électron juste au point de rencontre du métal et du supraconducteur, il pourrait former ce que l’on appelle une paire de Cooper. Le supraconducteur libère également un autre type de particule dans le métal, appelé réflexion d’Andreev. Les chercheurs ont recherché ces réflexions d’Andreev pour détecter les paires de Cooper.
Les scientifiques d’Oak Ridge ont mesuré le courant électrique entre une pointe métallique atomiquement pointue et un supraconducteur. Cette approche leur permet de détecter la quantité de réflexion d’Andreev qui retourne au supraconducteur.
« Cette technique établit une nouvelle méthodologie essentielle pour comprendre la structure quantique interne de types exotiques de supraconducteurs connus sous le nom de supraconducteurs non conventionnels, ce qui nous permet potentiellement de nous attaquer à une variété de problèmes ouverts dans le domaine des matériaux quantiques, a déclaré dans un communiqué Jose Lado, professeur adjoint à l’université d’Aalto, qui a fourni un soutien théorique à la recherche.
Igor Zacharov, chercheur principal au laboratoire de traitement de l’information quantique de Skoltech à Moscou, a déclaré par courrier électronique qu’un supraconducteur est un état de la matière dans lequel les électrons ne perdent pas d’énergie en se dispersant sur les noyaux lorsqu’ils conduisent le courant électrique et où le courant électrique peut circuler sans interruption.
« Alors que les électrons ou les noyaux ont des états quantiques qui peuvent être exploités pour le calcul, le courant supraconducteur se comporte comme une macro unité quantique avec des propriétés quantiques », a-t-il ajouté. « Par conséquent, nous retrouvons la situation dans laquelle un macro état de la matière peut être utilisé pour organiser le traitement de l’information alors qu’il possède des effets manifestement quantiques qui peuvent lui donner un avantage en matière de calcul. »
L’un des plus grands défis de l’informatique quantique aujourd’hui concerne la façon dont nous pouvons rendre les supraconducteurs encore plus performants.
L’avenir des supraconducteurs
Selon M. Cubitt, les ordinateurs quantiques supraconducteurs devancent actuellement les technologies concurrentes en termes de taille de processeur. Google a démontré ce qu’on appelle la « suprématie quantique » sur un dispositif supraconducteur de 53 qubits en 2019. IBM a récemment lancé un ordinateur quantique avec 127 qubits supraconducteurs, et Rigetti a annoncé une puce supraconductrice de 80 qubits.
« Toutes les entreprises de matériel quantique ont des feuilles de route ambitieuses pour mettre à l’échelle leurs ordinateurs dans un avenir proche », a ajouté Cubitt. « Cela a été stimulé par une série d’avancées en matière d’ingénierie, qui ont permis le développement de conceptions et d’optimisations de qubits plus sophistiquées. Le plus grand défi pour cette technologie particulière est d’améliorer la qualité des portes, c’est-à-dire d’améliorer la précision avec laquelle le processeur peut manipuler l’information et exécuter un calcul. »
De meilleurs supraconducteurs pourraient être la clé de la réalisation d’ordinateurs quantiques pratiques. Michael Biercuk, le PDG de la société d’informatique quantique Q-CTRL, a déclaré dans une interview par courriel que la plupart des systèmes d’informatique quantique actuels utilisent des alliages de niobium et d’aluminium, dans lesquels la supraconductivité a été découverte dans les années 1950 et 1960.
« L’un des plus grands défis de l’informatique quantique aujourd’hui concerne la façon dont nous pouvons rendre les supraconducteurs encore plus performants », a ajouté M. Biercuk. « Par exemple, les impuretés dans la composition chimique ou la structure des métaux déposés peuvent être à l’origine de sources de bruit et de dégradation des performances dans les ordinateurs quantiques – elles conduisent à des processus connus sous le nom de décohérence dans lesquels la « quanticité » du système est perdue. »
L’informatique quantique exige un équilibre délicat entre la qualité d’un qubit et le nombre de qubits, a expliqué M. Zacharov. Chaque fois qu’un qubit interagit avec l’environnement, par exemple en recevant des signaux pour la « programmation », il pourrait perdre son état intriqué.
« Si nous constatons de petites avancées dans chacune des directions technologiques indiquées, les combiner en un bon dispositif fonctionnel est encore insaisissable », a-t-il ajouté.
Le « Saint Graal » de l’informatique quantique est un dispositif doté de centaines de qubits et de faibles taux d’erreur. Les scientifiques ne s’accordent pas sur la manière d’atteindre cet objectif, mais l’une des réponses possibles est l’utilisation de supraconducteurs.
« Le nombre croissant de qubits dans un dispositif supraconducteur en silicium souligne la nécessité de disposer de machines de refroidissement géantes capables de conduire de grands volumes opérationnels à une température proche du zéro absolu », a déclaré M. Zacharov.