Matériel informatique quantique : comment les ordinateurs quantiques sont-ils mis en œuvre ?
Dans l'article précédent intitulé« Les bases : comment fonctionnent les ordinateurs quantiques et où va cette technologie », nous avons présenté les concepts fondamentaux de l'informatique quantique, notamment les qubits (bits quantiques), la superposition et l'intrication. En nous appuyant sur ces principes, nous allons dans cet article présenter comment les qubits sont mis en œuvre dans des systèmes physiques réels pour rendre possible l'informatique quantique. Il existe de nombreuses approches de pointe en matière de conception de matériel quantique, chacune utilisant des techniques différentes pour maintenir la stabilité des qubits et minimiser la décohérence. Parmi celles-ci, les approches les plus prometteuses sont (1) les ordinateurs quantiques à atomes neutres, (2) les ordinateurs quantiques à ions piégés, (3) les ordinateurs quantiques supraconducteurs et (4) les ordinateurs quantiques à qubits de spin. Nous explorons les systèmes physiques sous-jacents à chaque approche, en discutant de leurs avantages et de leurs inconvénients, tout en reconnaissant que le développement de chacune d'entre elles a des implications différentes.
Ordinateurs quantiques à atomes neutres
Les ordinateurs quantiques à atomes neutres fonctionnent à l'aide de lasers ou de champs électromagnétiques pour piéger des atomes neutres dans une région localisée. Dans ces systèmes, les atomes neutres servent de qubits en stockant des informations quantiques dans les niveaux d'énergie des électrons des atomes ou dans les états hyperfins des atomes. Les états internes des atomes neutres servent d'états logiques |0⟩ et |1⟩ des qubits.
Des impulsions laser ou électromagnétiques contrôlées avec précision sont utilisées pour manipuler les atomes neutres afin d'initialiser les qubits, d'effectuer des opérations quantiques et de mesurer leurs états quantiques. Les opérations sur un seul qubit peuvent être réalisées en appliquant des impulsions laser ou électromagnétiques accordées pour coupler deux niveaux d'énergie internes sélectionnés d'un seul atome. La durée, la fréquence et l'intensité des impulsions peuvent être ajustées pour modifier l'état du qubit de |0⟩ ou |1⟩, ou toute superposition entre les deux, afin d'effectuer différentes portes avec le seul atome.
Les ordinateurs quantiques à atomes neutres peuvent mettre en œuvre des portes à deux qubits en tirant parti de l'effet « blocage de Rydberg ». Pour ce faire, des lasers ou des impulsions électromagnétiques sont utilisés pour exciter un qubit jusqu'à un état à haute énergie appelé « état de Rydberg ». Lorsqu'il passe à cet état à haute énergie, l'atome excité modifie les niveaux d'énergie des atomes voisins, empêchant ces derniers d'être excités à des états énergétiques similaires. L'effet de blocage de Rydberg peut être utilisé pour établir une superposition entre deux atomes voisins, produisant ainsi des portes à plusieurs qubits.
Les avantages des ordinateurs quantiques à atomes neutres comprennent une grande évolutivité et des caractéristiques de qubits uniformes grâce à de grands réseaux d'atomes communs. Les impulsions laser et électromagnétiques permettent également un contrôle précis des états des qubits. Cependant, le piégeage et la stabilisation des atomes neutres sont difficiles, car de légers désalignements ou changements de puissance dans les faisceaux laser peuvent provoquer la dérive ou la fuite des atomes. De plus, tous les atomes neutres doivent être maintenus dans un environnement sous vide contrôlé afin d'éviter la décohérence due aux collisions avec les gaz ambiants.
Ordinateurs quantiques à ions piégés
Contrairement aux ordinateurs quantiques à atomes neutres, les ordinateurs quantiques à ions piégés confinent (c'est-à-dire immobilisent) des particules atomiques chargées (ions) dans l'espace libre à l'aide de champs électromagnétiques. Le mouvement de chaque ion piégé est atténué par un refroidissement laser des ions jusqu'à un état proche de l'état fondamental. Comme les ordinateurs quantiques à atomes neutres, chaque atome d'un système à ions piégés fonctionne comme un qubit qui encode les informations quantiques dans les états électroniques ou hyperfins de chaque ion (par exemple, à l'aide d'impulsions laser ou micro-ondes).
Les opérations multi-qubits sont réalisées dans les ordinateurs quantiques à ions piégés en couplant les états quantiques internes des ions à des modes vibratoires partagés entre ions proches. Comme les ions sont piégés dans le champ électromagnétique, tout mouvement vibratoire d'un ion (induit par exemple par des impulsions laser) provoque un mouvement quantifié de plusieurs ions par le biais d'interactions coulombiennes (c'est-à-dire la répulsion électromagnétique entre les ions chargés). Grâce à des impulsions laser ou électromagnétiques contrôlées avec précision, les vibrations induites peuvent provoquer l'intrication d'ions sélectionnés, ce qui permet diverses portes multi-qubits et opérations quantiques.
Les ordinateurs quantiques à ions piégés présentent plusieurs avantages, notamment de faibles taux d'erreur avec des temps de cohérence longs, des portes quantiques haute fidélité, de nombreuses possibilités d'arrangements de particules intriquées (c'est-à-dire que chaque ion dans un piège peut être intriqué avec n'importe quel autre ion dans le piège), ainsi que des schémas de portes bien compris et standardisés qui facilitent la mise en œuvre directe d'algorithmes quantiques.
Cependant, ces systèmes impliquent généralement des temps de traitement plus lents que les systèmes qui utilisent des qubits à semi-conducteurs (par exemple, des circuits supraconducteurs ou des qubits à base de silicium). De plus, les systèmes à ions piégés nécessitent généralement une infrastructure laser et électromagnétique complexe pour obtenir des résultats utiles. Tout comme les systèmes à atomes neutres, les systèmes à ions piégés nécessitent des conditions de vide contrôlées pour éviter la décohérence due aux collisions avec les gaz de fond ou d'autres particules.
Ordinateurs quantiques supraconducteurs
Les ordinateurs quantiques supraconducteurs exploitent les propriétés des matériaux supraconducteurs pour créer et contrôler des qubits. Les matériaux supraconducteurs, ou « supraconducteurs », sont des matériaux capables de conduire l'électricité sans résistance ni perte d'énergie. Les supraconducteurs fonctionnent à des températures extrêmement basses, généralement à quelques kelvins du zéro absolu (par exemple, 1 à 20 K ou -272 à -253 °C). Les ordinateurs quantiques supraconducteurs utilisent une structure supraconductrice appelée « jonction Josephson » pour mettre en œuvre des qubits supraconducteurs (par exemple, des circuits électroniques supraconducteurs).
Les jonctions Josephson sont de fines barrières isolantes placées entre des matériaux supraconducteurs, qui peuvent être utilisées pour créer différents types de qubits, notamment des qubits transmon et des qubits de flux. Les qubits transmon sont créés en connectant une jonction Josephson en parallèle avec un condensateur relativement grand. Cela crée un oscillateur LC non linéaire, qui permet la création de niveaux d'énergie discrets pour mettre en œuvre l'informatique quantique. Les informations quantiques peuvent être codées dans les états énergétiques des qubits transmon à l'aide d'impulsions micro-ondes, qui induisent des transitions entre les niveaux d'énergie discrets du qubit. Les qubits transmon peuvent être intriqués à l'aide d'un couplage capacitif ou inductif de qubits adjacents, ou par couplage à un résonateur commun, tel qu'une cavité micro-ondes ou une ligne de transmission.
D'autre part, les qubits de flux sont formés à l'aide d'une « boucle supraconductrice », ou chemin de courant, qui comprend une ou plusieurs jonctions Josephson. Les qubits de flux codent les informations quantiques dans le flux magnétique de chaque qubit, par l'intermédiaire de la direction du courant traversant la boucle supraconductrice. Les directions du courant (par exemple, dans le sens horaire ou antihoraire) servent d'états logiques |0⟩ et |1⟩ des qubits. Les qubits de flux sont contrôlés à l'aide d'une combinaison de réglage du flux magnétique externe et d'impulsions électromagnétiques. Plus précisément, les impulsions et le flux magnétique peuvent être utilisés pour ajuster de manière externe l'état du qubit, induisant des transitions entre les états |0⟩ et |1⟩ et mettant en œuvre des portes à qubit unique. Les portes à plusieurs qubits peuvent être réalisées en entremêlant les qubits de flux via un couplage inductif de qubits adjacents, des jonctions Josephson partagées ou un couplage à des résonateurs communs.
La mise en œuvre d'ordinateurs quantiques utilisant des supraconducteurs présente plusieurs avantages, notamment des opérations de porte très rapides et la possibilité de fabriquer ces systèmes à l'aide de techniques lithographiques similaires à celles utilisées pour fabriquer des circuits semi-conducteurs conventionnels. Les ordinateurs quantiques supraconducteurs sont également faciles à mettre à l'échelle en raison de leur facilité de fabrication et bénéficient d'une communauté de recherche bien établie. Cependant, la supraconductivité souffre de temps de cohérence limités et ne peut fonctionner qu'à des températures ultra-basses. Ces systèmes sont également sensibles au bruit, en particulier au diaphonie produit par les impulsions électromagnétiques utilisées pour contrôler les qubits individuels.
Ordinateurs quantiques à qubits de spin
Les ordinateurs quantiques à qubits de spin utilisent des qubits de spin, qui codent les informations quantiques dans le spin des porteurs de charge (par exemple, les électrons) dans les matériaux semi-conducteurs. Le spin est une propriété quantique des particules subatomiques qui peut être dans une superposition de haut ou de bas, ce qui peut représenter respectivement les états logiques |0⟩ et |1⟩ des qubits. Les informations quantiques de chaque électron (par exemple, les états de spin vers le haut et vers le bas) peuvent être contrôlées en faisant tourner le spin d'un électron dans des « points quantiques ». Les points quantiques sont des régions au sein du matériau semi-conducteur qui confinent les électrons dans les trois dimensions spatiales. Dans certains systèmes, des atomes donneurs implantés dans un matériau semi-conducteur, tels que des atomes de phosphore implantés dans un substrat de silicium, peuvent être utilisés pour isoler le spin des électrons.
Les qubits de spin peuvent être contrôlés à l'aide de diverses techniques optiques, électromagnétiques ou thermiques. Dans certains systèmes, des portes à qubit unique peuvent être mises en œuvre en contrôlant l'état grâce à l'application d'un champ magnétique oscillant réglé sur la fréquence du qubit cible. Des champs électriques oscillants peuvent également être utilisés pour faire passer le spin d'un ou plusieurs qubits à un état souhaité.
Les portes multi-qubits peuvent être mises en œuvre en créant une barrière tunnel entre deux points quantiques ou atomes donneurs. L'interaction entre les spins provoque l'intrication des deux électrons adjacents, ce qui peut être utilisé pour créer des portes. Les portes multi-qubits peuvent être contrôlées en appliquant une tension à travers la porte, ce qui affecte la manière dont les spins des électrons adjacents interagissent.
Les ordinateurs quantiques à qubits de spin présentent plusieurs avantages, notamment des temps de cohérence longs, un faible encombrement et une compatibilité avec les processus de fabrication de semi-conducteurs existants. Cependant, ces approches nécessitent encore des températures extrêmement basses pour fonctionner (par exemple, proches du zéro absolu). De plus, les ordinateurs quantiques à qubits de spin souffrent d'une faible évolutivité en raison de la complexité des circuits nécessaires pour acheminer avec précision les signaux de tension à haute fréquence vers chaque qubit du système.
Qubits sans azote
Un nouveau paradigme prometteur dans le domaine de l'informatique quantique exploite les centres de vacance d'azote (NV) dans le diamant pour créer des qubits robustes à température ambiante. Les centres NV sont des défauts à l'échelle atomique dans le réseau cristallin du diamant, constitués d'un atome d'azote adjacent à une lacune, qui présentent une photoluminescence dépendante du spin et des temps de cohérence de spin exceptionnellement longs. Ces propriétés permettent aux centres NV de fonctionner comme des qubits potentiellement très stables qui peuvent être initialisés, manipulés et lus optiquement ou par des champs micro-ondes. Contrairement à de nombreux autres systèmes quantiques qui nécessitent un refroidissement extrême, les qubits des centres NV conservent leur cohérence quantique même à température ambiante, ouvrant la voie à des dispositifs quantiques plus pratiques et plus évolutifs. De plus, leur sensibilité aux environnements magnétiques, électriques et thermiques permet des applications avancées de détection quantique parallèlement au calcul quantique. Cette approche basée sur le diamant combine biocompatibilité, durabilité et potentiel d'intégration avec la technologie des semi-conducteurs existante, ce qui en fait un candidat sérieux pour la prochaine génération de technologies quantiques.
Les implications
Ces approches ou mises en œuvre de l'informatique quantique présentent différents avantages technologiques, calendriers de maturation et de commercialisation, chaînes d'approvisionnement, partenariats stratégiques potentiels, cas d'utilisation, impacts sur les produits, coûts, etc., comme suggéré. Il sera important de comprendre les différentes implications pour évaluer l'impact, stratégique ou autre. À mesure que la course à la suprématie quantique et à l'informatique quantique grand public s'intensifie, elle influencera les investissements, les décisions stratégiques, les calendriers commerciaux et l'analyse des risques. S'il est encore trop tôt pour déterminer quelle(s) approche(s) pourrait(aient) s'imposer, le moment est venu pour les stratèges, les analystes et les décideurs de se familiariser avec les différentes options.
