Des chercheurs font une percée dans le domaine de l’informatique quantique

Depuis des décennies, l’informatique quantique a suscité un vif intérêt, mais a également été confrontée à des défis majeurs, notamment celui de maintenir les qubits à des températures extrêmement basses, juste au-dessus du zéro absolu. Ces températures sont en effet nécessaires pour exploiter les phénomènes quantiques qui confèrent aux ordinateurs quantiques leurs capacités de calcul uniques.

Des bits…

Dans le monde de l’informatique, deux grandes catégories de machines se distinguent : les ordinateurs classiques qui ont dominé le paysage technologique pendant des décennies et les ordinateurs quantiques, une nouvelle génération de machines promettant des capacités de calcul révolutionnaires. Pour comprendre les défis actuels et les percées futures, il est essentiel de comprendre ces deux systèmes.

Un ordinateur classique fonctionne selon des principes bien établis de traitement de l’information. Au cœur de cette machine se trouvent les bits, les unités fondamentales de données. Chaque bit peut exister dans l’un des deux états : 0 ou 1. Ils représentent respectivement l’absence ou la présence d’un signal électrique. Ces bits sont les briques élémentaires avec lesquelles sont construites toutes les opérations et les manipulations de données.

Le fonctionnement d’un ordinateur classique repose alors sur des circuits électroniques complexes, tels que les processeurs, les mémoires et les dispositifs de stockage qui manipulent et transmettent ces bits selon des instructions programmées dans le logiciel. Les données sont représentées et traitées de manière séquentielle, une étape à la fois, en suivant des algorithmes définis.

Cette approche classique a fait ses preuves dans une multitude de domaines, des calculs mathématiques aux applications multimédias en passant par les opérations bancaires et commerciales. Cependant, pour certains problèmes complexes, cette approche atteint ses limites en raison de sa nature séquentielle, ce qui a suscité l’intérêt pour une nouvelle approche : l’informatique quantique.

… aux qubits

Contrairement à son homologue classique, un ordinateur quantique tire parti des étranges phénomènes de la mécanique quantique pour effectuer des calculs. Au cœur de cette machine se trouvent les qubits, les unités d’information quantique. Contrairement aux bits classiques, un qubit peut exister dans un état de superposition, représentant à la fois 0 et 1 simultanément grâce aux propriétés quantiques de la matière.

En outre, les qubits peuvent être intriqués, ce qui signifie que l’état de l’un peut être lié à celui d’un autre, même s’ils sont séparés spatialement. Cette propriété permet aux ordinateurs quantiques d’explorer de manière exponentielle un grand nombre de possibilités en parallèle, offrant un potentiel de calcul qui dépasse de loin les capacités des ordinateurs classiques pour certaines tâches spécifiques.

Plusieurs contraintes avec les qubits et l’informatique quantique

Malgré leurs promesses, la manipulation des qubits est encore difficile. Imaginez-les comme de minuscules particules quantiques, dont l’état peut être modifié ou altéré par le moindre changement dans son environnement. Les qubits sont donc incroyablement sensibles aux interférences provenant de facteurs externes tels que les variations de champ magnétique, les fluctuations de température ou même les vibrations causées par des activités humaines à proximité.

Ces interférences perturbent l’état des qubits, les faisant sortir de leur état de superposition délicate et pouvant provoquer des erreurs dans les calculs. Ces erreurs sont particulièrement problématiques dans les calculs quantiques complexes où de nombreuses opérations sont effectuées en parallèle sur de nombreux qubits. Même une petite erreur dans l’un des qubits peut se propager et compromettre l’ensemble du calcul, réduisant ainsi la fiabilité et l’efficacité de l’ordinateur quantique.

Pour garantir des résultats précis et fiables, il est donc essentiel de maintenir un environnement extrêmement contrôlé et isolé, ce qui nécessite des dispositifs de confinement sophistiqués et des conditions de fonctionnement très spécifiques.

Des températures extrêmes

Ces conditions comprennent entre autres des températures extrêmement basses, juste au-dessus du zéro absolu (0 Kelvin ou -273,15°C). À ces températures, l’agitation thermique est en effet minimisée, réduisant ainsi les vibrations moléculaires et les fluctuations de champ magnétique qui pourraient perturber les qubits. Les propriétés quantiques des qubits, telles que l’état de superposition et l’intrication, peuvent donc être préservées plus longtemps, ce qui est essentiel pour effectuer des calculs quantiques précis et fiables.

Par ailleurs, certains matériaux utilisés pour construire les qubits, tels que les supraconducteurs, présentent des propriétés optimales à des températures extrêmement basses. En les refroidissant à proximité du zéro absolu, ces matériaux deviennent alors supraconducteurs, ce qui signifie qu’ils conduisent l’électricité sans aucune résistance, ce qui est essentiel pour le fonctionnement des qubits.

Naturellement, tout cela nécessite des dispositifs de réfrigération massifs et complexes, ce qui représente un défi logistique et énergétique important pour la construction et l’exploitation des ordinateurs quantiques.

Une avancée majeure dans l’informatique quantique

Dans une étude récente publiée dans , une équipe de chercheurs a cependant démontré qu’un certain type de qubit, basé sur les spins d’électrons individuels, peut fonctionner à des températures autour de 1K, ce qui équivaut à -272,15 degrés Celsius. On est donc à un degré au-dessus du zéro absolu. Cela pourrait ne pas paraître beaucoup, mais dans ce milieu, la différence est énorme.