Le premier circuit quantique pose la base d’une révolution informatique

Science

Par Antoine Gautherie le

Ce premier circuit intégré quantique à l'échelle atomique représente une étape importante dans le développement d'une informatique quantique utile en conditions réelles.

© SCIMEX

Des chercheurs australiens viennent d’annoncer la création de ce qu’ils décrivent comme le “premier circuit intégré quantique fabriqué à l’échelle atomique”; ils affirment en effet avoir réussi à caser tous les éléments nécessaires au fonctionnement d’un ordinateur de ce type sur une puce au format standard.

Et ce circuit est même capable de fonctionner comme un processeur quantique à part entière. Il a permis aux chercheurs de simuler le mouvement des électrons dans une petite molécule, le polyacétylène. Elle a l’avantage d’être parfaitement connue par les chercheurs. Ces derniers peuvent donc déterminer immédiatement la cohérence du résultat, et par extension la fiabilité de la puce.

Et au bout du protocole de test, le résultat était sans appel : le circuit a fait étalage d’une précision étourdissante lors des simulations. Selon les chercheurs, cela suffit à “prouver définitivement la validité de cette technologie dans le cadre des systèmes de modélisation quantique”.

Ces travaux publiés dans la prestigieuse revue Nature sont très excitants. Il s’agit en effet d’une preuve de concept qui nous rapproche indiscutablement de la démocratisation des ordinateurs quantiques, même si cette échéance reste encore lointaine.

Du simple “transistor” au véritable circuit

Ce circuit est la toute première manifestation d’une longue série de travaux qui ont démarré en 2012. A l’époque, l’informatique quantique était encore plus balbutiante qu’elle ne l’est aujourd’hui. Ces mêmes chercheurs venaient tout juste de créer le tout premier “transistor quantique”.

Les transistors, ce sont des petits composants électroniques à base de matériaux semiconducteurs – ceux dont la pénurie a mis la tech à feu et à sang pendant des mois. Très sommairement , ils fonctionnent comme de petits interrupteurs 100% électroniques; ce sont donc des éléments fondamentaux de tous les circuits logiques puisqu’ils servent de support aux fameux “bits”.

Il s’agit donc d’un socle technologique éminemment important pour toute l’informatique moderne. C’est une technologie qui est aujourd’hui très bien maîtrisée, et les fabricants font de véritables prouesses lorsqu’il s’agit de miniaturiser ces composants. Mais c’est une autre paire de manches lorsqu’il s’agit d’appliquer ce concept à l’informatique quantique, où tout se joue à l’échelle de l’infiniment petit.

L’humain maîtrise déjà très bien la production de composants microscopiques … © Umberto – Unsplash

Un processus de fabrication ultra-exigeant

Pour construire leur puce, ils ont dû utiliser un microscope électronique à transmission capable de discerner les détails à l’échelle de l’atome. Ils ont ensuite dû réaliser l’intégralité du processus dans un vide quasi absolu, car à cette échelle, même un simple atome d’oxygène pourrait poser problème.

Il s’agit de contraintes très importantes qu’il est malheureusement impossible de contourner pour atteindre le niveau de précision souhaité sur la puce finale. Cela a permis aux chercheurs d’y disposer une foule de points quantiques, plus connus sous le nom de quantum dots (QD). Un nom qui rappellera certainement quelque chose aux amateurs de technologie d’affichage.

Concrètement, ces QD sont des structures à base de matériaux semi-conducteurs, comme les transistors des ordinateurs actuels. En revanche, ceux-ci ne mesurent que quelques nanomètres. Ils peuvent donc se comporter comme des transistors quantiques une fois agencés avec une précision extrême. Ils peuvent donc servir de pixels dans certains écrans OLED haut de gamme. De la même façon que les transistors standard hébergent les bits, ces quantum dots peuvent aussi servir de supports aux qubits, l’unité fondamentale de l’informatique quantique.

Mais à cette échelle, les tolérances sont pour ainsi dire inexistantes. Les chercheurs ont dû déterminer le nombre exact d’atomes de phosphore nécessaire dans chaque QD. Ils ont ensuite dû déterminer le positionnement de chaque point, puis les disposer sur la puce avec une précision largement inférieure au nanomètre et une marge d’erreur proche de zéro.

S’ils sont trop gros ou trop proches, les interactions entre les points deviennent trop puissantes; il devient impossible de les contrôler individuellement. À l’inverse, s’ils sont trop petits ou trop éloignés, ces interactions deviennent au contraire imprévisibles. Dans les deux cas, cela nuit au fonctionnement de la puce.

… mais tout devient plus compliqué lorsqu’on travaille à l’échelle des particules élémentaires. © Norbert Kowalczyk

Le début d’un vrai changement de paradigme ?

Sans surprise, les chercheurs ont donc eu besoin de très nombreuses itérations pour construire leur puce; ils ont réussi à y disposer 10 QD. Cela représente donc énormément d’efforts pour un circuit qui, au bout du compte, reste faiblard malgré sa précision. En effet, ces 10 qubits sont encore insuffisants pour être utiles en conditions réelles.

Mais l’intérêt de ces travaux réside davantage dans la méthode que dans le produit final. En ouvrant la porte à la production de véritables puces quantiques, on peut commencer à entrevoir les premières applications pratiques et relativement “grand public” (toutes proportions gardées) de cette technologie.

Car pour l’instant, l’intérêt pratique de ces machines est encore très limité; ce sont surtout des appareils exploratoires qui ne servent pas vraiment à réaliser des travaux concrets. De plus, les ordinateurs quantiques sont aujourd’hui réservés à des institutions qui disposent de ressources technologiques et financières conséquentes.

À terme, les puces de ce genre serviront peut-être de vecteur pour faire sauter cette exclusivité et démocratiser l’informatique quantique. Les obstacles sont encore nombreux; pour commencer, il faudrait déjà produire un circuit bien plus puissant et capable de fonctionner à température ambiante.

Techniquement, le Q System One d’IBM est le premier ordinateur quantique basé sur un circuit; mais sa puce ne se suffisait pas encore à elle-même, contrairement à la preuve de concept des chercheurs australiens. © IBM Research

En effet, pour fonctionner, les ordinateurs quantiques actuels doivent être maintenus à une température proche du zéro absolu. Tout l’enjeu est donc de trouver un moyen de faire sauter cette contrainte; mais à l’heure actuelle, personne n’a encore trouvé le moindre début de piste en ce sens. Et il ne s’agit que d’un exemple isolé parmi une montagne de limites (voir nos articles ici, ici et ici) qui freinent encore le développement de l’informatique quantique.

Ce n’est donc pas demain que cette technologie deviendra la norme. Mais c’est incontestablement un pas important dans ce sens. En informatique traditionnelle, le premier transistor est apparu en 1947, le premier circuit intégré en 1958, et les premiers ordinateurs personnels dans les années 1970. Si l’informatique quantique suit une trajectoire comparable (ce qui est tout sauf une garantie), la révolution informatique tant attendue pourrait bien survenir d’ici quelques décennies.

Le texte de l’étude est disponible ici.

Source: SCIMEX

1 Commentaire

  1. tototoro

    24 juin 2022 at 15:03

    la plupart des projets quantiques consomment de l’énergie et il faut refroidir

    l’avenir durable de ce type de projet est l’absence de froid, de climatisation bref un boitier normal sans ventilateur …….

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