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L’ordinateur quantique
Fabrication d’un ordinateur quantique (II) Depuis les travaux d'Einstein[1] et consorts sur le paradoxe EPR en 1935 démontrant que l'intrication quantique était une réalité, de nombreuses expériences ont démontré qu'il était possible de contrôler l'intrication quantique entre deux photons[2], deux atomes[3], deux ions[4], dans des systèmes à semi-conducteurs tels que des spinsd'ions, de noyaux et des points quantiques[5], [6], [7], des circuits supraconducteurs[8],[9] ou encore dans des diamants colorés[10]. En adaptant ces expériences aux contraintes de la théorie de l'information et donc aux ordinateurs, chacune de ces méthodes permet d'entrevoir la fabrication d'un calculateur voire d'un ordinateur quantique. Plusieurs technologies font appel à des molécules ou des atomes individuels ou encore à la polarisation d’une lumière laser comme support d’information. Une nouvelle fois le principal problème est la décohérence. On a tenté de protéger les expériences des effets de l'environnement en les refroidissant par exemple jusqu'à un millième de degré du zéro absolu, mais ces solutions ne donnent pas entière satisfaction. Du fait qu'un ordinateur quantique manipule des qubits, sa fabrication n'a plus rien à voir avec celle d'un ordinateur conventionnel; son processeur par exemple utilise des composants aux propriétés quantiques et des enceintes de confinement soit sous vide soit cryogéniques rendant leur fabrication très complexe, sans parler de la question de sa programmation où tout reste encore à inventer. Néanmoins, quelques expériences récentes permettent d'entrevoir l'utilisation de technologies dérivées de celles utilisées pour la fabrication des circuits intégrés à température ambiante. Bien que chaque expérience sur les qubits exploite souvent une technologie spécifique voire combine plusieurs technologies, représentant autant de modèles possible d'ordinateurs quantiques, pour résumer l'état de la recherche on peut les regrouper dans de grandes catégories (la recherche se poursuivant, cette liste n'est bien sûr pas exhaustive) : 1. L'ordinateur quantique à RMN à état liquide 2. L'ordinateur quantique optique 3. L'ordinateur quantique à points quantiques 4. L'ordinateur quantique à ions piégés 5. L'ordinateur quantique à diamants colorés 6. L'ordinateur quantique topologique 7. L'ordinateur quantique à molécules intriquées 8. L'ordinateur quantique à semi-conducteurs dont celui de D-Wave. 1. L'ordinateur quantique à RMN à état liquide En assumant que le milieu quantique doit être isolé de son environnement et de très petite dimension, l'information peut être stockée dans une mer de molécules. Exposée à un champ magnétique, chaque noyau de chaque molécule tourne dans une certaine direction représentant son état : un spin orienté vers le haut représente l'état 1, un spin vers le bas, l'état 0. C'est le principe utilisé par la résonance magnétique nucléaire (RMN) qui permet, grâce à l'émission d'ondes radio spécifiques, de détecter les changements de spin.
Comment fonctionne un système à RMN ? A l'instar des installations médicales, les équipements à RMN utilisés en physique quantique sont constitués d'aimants supraconducteurs capables de générer des champs magnétiques supérieurs à 2 Tesla. Cette intensité est nécessaire car la sensibilité du système augmente proportionnellement à l'intensité du champ magnétique. Pour étudier les structures atomiques et moléculaires, les champs radiofréquences sont de l'ordre de 500 à 750 MHz. Ces aimants sont constitués d'une bobine de fil plongée dans un Dewar contenant de l'hélium liquide à -269°C, lequel est entouré d'un second Dewar contenant de l'azote liquide à -196°C. Ces très basses températures permettent de supprimer la résistance électrique des fils conducteurs et d'obtenir des ampérages très importants dans la bobine (30-90 A) sans dissipation de chaleur (effet Joule nul). L'avantage de ce système est de ne pas consommer d'électricité pour générer les champs magnétiques. La seule contrainte est qu'il faut remplacer plusieurs dizaines de litres d'hélium et d'azote liquides périodiquement pour assurer la supra-conductivité. A défaut, la bobine remonte en température et le système perd ses propriétés supra-conductrices, les liquides s'évaporant en abîmant éventuellement l'aimant.
Un ordinateur quantique utilisant la technologie à RMN est réduit à une molécule et ses qubits sont représentés par les noyaux atomiques contenus dans la molécule. En fait pour effectuer les calculs le système n'utilise pas une seule molécule mais une "soupe" ou une "tasse" de molécules liquides. L'avantage de cette méthode est d'éviter tout risque d'erreur : même si les molécules du liquide sautent dans un autre état, l'état de spin des noyaux qu'elles contiennent reste inchangé. Le problème de la décohérence reste toutefois présent, mais il apparaît beaucoup plus tard que dans d'autres techniques. Selon les résultats obtenus en 2001 par Isaac Chuang du centre de recherche Almaden d'IBM, quelques milliers d'opérations logiques primitives pourraient être exécutées avant que les qubits ne décohèrent. Les premiers résultats probants furent obtenus par Isaac Chuang en 1998. Avec son équipe il parvint à créer un ordinateur quantique à 2 qubits dans un dé à coudre de chloroforme et parvint à calculer les différentes périodicités d'une fonction. Il parvint également à retrouver une donnée parmi quatre en une seule étape en appliquant l'algorithme de Grover. Le travail actuel des chercheurs consiste à réaliser des tâches plus complexes qui requièrent un plus grand nombre de qubits, donc plus de molécules et plus de nucléons. En 2001, Chuang et son équipe sont parvenus à créer un système contenant 7 qubits qui leur permit de réaliser la factorisation du nombre 15 grâce à l'algorithme de Shor. En pratique cela correspond à contrôler un milliard de milliards de molécules ! Cela dit la solution de chloroforme est instable et sa durée de vie est limitée à quelques minutes. Neil Gershenfield, directeur du Media Lab du MIT, travaille actuellement sur les molécules de caféine qui lui permettraient de disposer d’un ordinateur quantique de 10 qubits. Chuang et Gershenfield n’envisagent toutefois pas de solutions au-delà de 15 ou 20 qubits du fait que les signaux magnétiques qui mesurent l'orientation des spins et déterminent les états quantiques deviennent excessivement faibles à mesure que le nombre de qubits augmente, faiblissant d’un facteur voisin de 2 pour chaque qubit supplémentaire. Combien de qubits pourrait-on manipuler au maximum en utilisant la technologie à RMN ? En théorie plusieurs centaines mais probablement jamais autant qu'en utilisant une architecture à base de silicium (voir plus bas). Ceci dit, en 1998 et 1999 certains physiciens comme Noah Linden et consorts ont exprimé leur doute sur la puissance de calcul quantique des systèmes à RMN à état liquide. Soyons réalistes, même si la technologie à RMN permet d'atteindre 20 qubits, nous sommes encore loin de pouvoir fabriquer un ordinateur quantique capable de rivaliser avec ne fut-ce qu'un ordinateur de poche car les prototypes actuels restent très instables. 2. L'ordinateur quantique optique La plupart des ordinateurs quantiques fonctionnent à des températures proches du zéro absolu. C'est indispensable pour éviter les interférences et obtenir des mesures fiables. Sachant que les photons (lumineux) sont d'excellents porteurs d'information quantique - ce sont eux notamment qui ont été utilisés lors des premières expériences d'intrications quantiques -, des chercheurs ont utilisé des lasers pour faire interagir deux photons à température ambiante. Jusqu'à présent la plupart des études présentaient des expériences où les chercheurs utilisaient un matériau non linéaire, le seul dans lequel les rayons lumineux pouvaient interagir entre eux. Mais des expériences réalisées en 2011 par A.Zeilinger et son équipe de l'Université de Vienne tendent à démontrer qu'on peut également utiliser des optiques linéaires. Des composants optiques linéaires combinés à un système de correction d'erreur quantique (feedback) permettent de contrôler les qubits et la fiabilité du système, à l'image du bit de parité en informatique classique. 3. L'ordinateur quantique à points quantiques
Une autre solution pour créer un qubit consiste à piéger un électron et modifier son état quantique pour effectuer des opérations. La méthode consiste à piéger un électron dans une cage d'atomes, performance technique accessible depuis bientôt une génération aux laboratoires de physique quantique qui sont capables de manipuler des atomes individuellement (par effet tunnel, lumière laser, micro-onde, champ magnétique, etc). Lorsque ce minuscule "point quantique" est éclairé par une impulsion laser d’une longueur d'onde et d'une durée bien déterminée, l'électron passe dans un état excité, ce qu'on appelle également le changement ou retournement du spin de l'électron. Une seconde impulsion laser provoque sa chute vers son état fondamental. L'état fondamental et l'état excité de l’électron représentent respectivement les états |0〉et |1〉d'un qubit, l’application du rayon laser représentant une porte logique (quantique) CNOT provoquant le changement d’état et l'effondrement du qubit dans les états binaires 1 ou 0. Si l'impulsion laser est moitié moins longue que la durée nécessaire à la porte CNOT, l'électron passe dans une superposition d'états fondamental et excité simultanément; cela correspond à l'état d'intrication quantique du qubit. Des fonctions logiques plus complexes peuvent être créées en utilisant des points quantiques arrangés par paires. 4. L'ordinateur quantique à ions piégés Dans un ordinateur quantique à ions piégés, des électrodes en or agissent tel un piège pour les particules chargées. Les électrodes sont structurées pour permettre l'accès aux micro-ondes et au faisceau laser. L'ensemble du système est logé dans une chambre à ultra-vide. Dans cette conception, les particules chargées sont confinées par des pièges électromagnétiques et un électron de valence se déplaçant entre deux états agit comme le qubit. Les transitions hyperfines dans les atomes neutres peuvent remplir la même fonction. Sachant que tout système quantique à deux états permet de créer un qubit, deux méthodes permettent d'obtenir un qubit à partir des états électroniques d'un ion : - Deux états fondamentaux hyperfins (créant des "qubits hyperfins") - Un état fondamental et un état excité (créant des "qubits optiques"). Les qubits hyperfins ont une vie extrêmement longue (leur décroissance est de l'ordre de milliards d'années) et sont très stables en phase/fréquence (généralement utilisés comme fréquences atomiques standards). Les qubits optiques ont également une longue vie (la décroissance est de l'ordre de la seconde) comparée au temps d'opération d'une porte logique qui est de l'ordre de quelques microsecondes. Mais l'utilisation de chaque type de qubit pose un défi aux chercheurs. Les ions peuvent être confinés et suspendus dans un espace vide à l'aide de champs électriques, les ions se comportant comme de minuscules aimants. Les qubits sont stockés dans les états électroniques stables de chaque ion et l'information quantique peut être déterminée et transférée dans un piège grâce au mouvement cinétique quantifié collectif des ions (interagissant via la force Coulombienne ou électrostatique).
Le refroidissement est assuré par application d'un faisceau laser (en absorbant des photons du laser les atomes diminuent leur énergie cinétique) immobilisant pratiquement les ions dans le piège. L'enceinte étant sous vide et isolée de l'environnement, la répulsion électrique entre ions leur permet de créer une intrication quantique. Ensuite, des lasers plus fins qu'un cheveu (< 0.05 mm) peuvent être dirigés vers tel ou tel ion, induisant un couplage entre les états du qubit (pour les opérations avec un seul qubit) ou un couplage entre les états internes du qubit et les états de mouvements externes (pour l'intrication entre qubits) afin de les manipuler et mesurer les données stockées dans les qubits "effondrés". Les expériences récentes ont démontré que les opérations simples réalisées avec ce type d'ordinateur sont très précises (fidélité de 99%) permettant d'entrevoir de nouveaux développements vers des architectures à grande échelle (scalable) contenant un grand nombre de qubits, un premier pas vers l'ordinateur quantique universel. En mai 2011, Thomas Monz et son équipe de l'Université d'Innsbruck sont parvenus à contrôler l'intrication quantique de 14 ions piégés ou qubits. Noton que certains des ordinateurs quantiques les plus connus, y compris ceux d'IBM et de Google, reposent sur des qubits transmon supraconducteurs. Les transmons sont des îlots de charge supraconducteurs dans lesquels la différence entre les états |0〉et |1〉est la présence d'une paire de Cooper supplémentaire d'électrons liés. Il existe une autre variante de l'ordinateur quantique à particules piégées, celle à diamants colorés ou dopés. 5. L'ordinateur quantique à diamants colorés En 2010, Gregory D. Fuchs et ses collègues de l’Université de Californie ont réalisé une expérience utilisant des diamants colorés pour créer des qubits à température ambiante. Selon David Awschalom et ses collègues du Caltech, la fidélité d’un tel système peut atteindre 95%.
En 2013, Florian Dolde et ses collègues de l'Université de Stuttgart firent des expériences similaires et déclarèrent que le matériau idéal pour fabriquer un ordinateur quantique serait le diamant. Il est donc intéressant de se pencher sur cette technologie. La méthode des diamants colorés tire profit de la structure fine des états fondamentaux et excités d’un diamant impur, dans ce cas-ci un diamant de couleur jaune en raison de la présence d’atomes d’azote, et de techniques lasers et micro-ondes pour manipuler les interactions entre le spin de l’électron et le noyau d’azote. La méthode consiste à fabriquer artificiellement de fins films de nanodiamants dopés avec des impuretés d'azote. Ces diamants sont formés à partir de gaz riches en carbone tel le méthane. Le procédé n’est pas bon marché mais celui des films à semi-conducteurs ne l‘est pas non plus. Le système quantique consiste à piéger l’information dans les atomes d’azote individuels fixés dans le film de diamants. Les atomes d’azote ont un électron de plus que les atomes de carbone. C’est cet électron excédentaire sur leur couche externe qui peut prendre deux états quantiques grâce aux propriétés de son spin. En piégeant deux atomes d’azote dans des nanodiamants séparés de quelques dizaines de nanomètres, Dolde et son équipe ont obtenu une intrication du spin électronique de plusieurs millisecondes, suffisante pour envisager des dispositifs scalable et à température ambiante capables de traiter des informations et d’effectuer des mesures. Mais la solution la plus prometteuse semble être la technologie topologique. 6. L'ordinateur quantique topologique Sur le plan théorique un ordinateur quantique topologique utilise des anyons (rien à voir avec les anions chargés positivement que l'on connaît en chimie), des quasiparticles évoluant dans un espace à 2 dimensions spatiales (contre 3 dans la physique classique), également appelés fermions de Majorana, par référence au physicien italien Ettore Majorana qui proposa ce concept pour la première fois en 1937. Ces anyons ou fermions de Majorana apparaissent naturellement dans le cadre des théories supersymétriques. Cette particule est également sa propre antiparticule (comme c'est peut être le cas du neutrino sur lequel nous reviendrons) et ne porte pas de charge électrique; elles sont neutres. Les anyons ne sont ni des fermions (constituant la matière) ni des bosons (vecteurs d'interactions comme les photons), mais ils partagent les propriétés des fermions par le fait qu'ils ne peuvent pas occuper le même état quantique (comme la matière ne peut pas se superposer contrairement à deux rayons lumineux par exemple). Ainsi, les lignes d'univers (les "trajectoires" ou "les histoires des évènements") de deux anyons ne peuvent pas se croiser ni fusionner. En revanche, elle peuvent s'entremêler et former des tresses appelées "braids" en trois dimensions (1 dimension temporale et 2 dimensions spatiales) et comporter des nœuds. En 1997, le physicien et mathématicien russe Alexei Kitaev de Microsoft Research et aujourd'hui au Caltech a suggéré que ces tresses permettraient de fabriquer les portes logiques d'un ordinateur quantique topologique. On sait depuis les premières expériences réalisées en 2007 (cf. Liang Fu) qu'on pourrait créer des fermions de Majorana dans des systèmes supraconducteurs. En effet, ces quasi-particules pourraient se former suite à l'excitation d'un gaz d'électrons soumis à un champ magnétique intense, transportant une unité fractionnaire de flux magnétique, comme le ferait une particule classique. Ce phénomène anormal est appelé l'effet Hall quantique fractionnaire (FQHE). Ce gaz d'électrons serait ensuite placé en sandwich entre deux plaques semi-conductrices d'arséniure de gallium-aluminium (AlGaAs) créant l'espace bidimensionnel nécessaire aux anyons, le dispositif étant cryogénisé et soumis à un champ magnétique transversal. Bonne nouvelle, en 2017 les physiciens ont finalement découvert la signature du fermion de Majorana, ouvrant potentiellement la voie à la construction d'ordinateurs quantiques topologiques insensibles au bruit de l'environnement puisque ces particules sont neutres. Finalement, en 2020 deux équipes de chercheurs ont apporté la preuve de l'existence des anyons non abéliens, un premier pas vers la construction d'un ordinateur quantrique à anyon. Une identité virtuellement immuable L'avantage de cet ordinateur basé sur des fermions de Majorana (ou des stresses quantiques et non plus sur des particules quantiques piégées) est le fait que que chaque fermion de Majorana représente une demi-particule élémentaire; un seul qubit d'information pourrait donc être stocké dans deux fermions de Majorana qui présentent par conséquent en théorie une identité partagée virtuellement immuable. Ils sont bien plus stables et résistent beaucoup mieux à la décohérence que les qubits ordinaires, le système étant "fault-tolerant" (tolérant aux pannes) comme disent les informaticiens. Ceci dit il faut malgré tout contrôler les erreurs induites par les fluctuations thermiques qui peuvent générer des paires de fémrions de Majorana aléatoires parasites et interférer avec les tresses voisines. Contrôler ces erreurs revient simplement à séparer les anyons d'une distance suffisante afin que le taux d'interférence chute.
L'avantage de ce concept est que même dans l'éventualité où la plus petite perturbation provoque la décohérence de la particule quantique et introduit des erreurs dans les calculs, ces petites perturbations ne modifient pas les propriétés topologiques des tresses. A l'inverse d'une balle (représentant une particule quantique ordinaire dans l'espace-temps à 4 dimensions) qui s'écrase contre un mur, le fait de couper une corde et rattacher ses extrémités ne requiert qu'un petit effort pour former une nouvelle tresse. Suite à ces travaux, en 2002 Alexei Kitaev et ses collègues Michael H. Freedman et Zhenghan Wang de Microsoft ainsi que Michael Larsen de l'Université d'Indiana ont prouvé qu'un ordinateur quantique topologique pouvait, en principe, réaliser tous les calculs réalisables par un ordinateur conventionnel. Pour mémoire, en 2005 Vladimir J. Goldman, Fernando E. Camino et Wei Zhou ont déclaré avoir créé les premiers anyons par FQHE, bien que d'autres chercheurs aient suggéré que leurs résultats pouvaient s'expliquer sans présence d'anyons. En 2011, les physiciens de l'Université Rice ont mis au point une méthode pour fabriquer un isolateur à spin quantique topologique, le processeur d'un ordinateur quantique topologique. Des fermions de Majorana peuvent être créés en combinant cet isolateur à deux dimensions avec un supraconducteur. Le dispositif a été fabriqué à partir de semi-conducteurs traditionnels SbGaAs tels ceux qu'on trouve notamment dans les jumelles à vision nocturne. Les isolateurs topologiques sont des composants insolites; alors que l'électricité ne peut pas les traverser, elle peut évoluer autour de leur extrémité mince extérieure. Si un petit carré d'isolateur topologique est attaché à un supraconducteur, des fermions de Majorana devraient apparaître précisément à la jonction des deux matériaux. Si ce fait s'avère exact, ces dispositifs pourraient potentiellement être utilisés pour générer des qubits. E résumé, l'utilisation de fermions de Majorana dans un ordinateur quantique topologique présente de nombreux avantages : ils sont insensibles au bruit de l'environnement, ils ont une durée de vie 100 à 10 milliards de fois supérieure aux autres particules (qubits, transmon, ions, etc) et permettent de fabriquer des portes logiques d'une vitesse de quelque nanosecondes (alors que les pièges à ions sont 1000 fois plus lents). Enfin, le coût de la correction d'erreur est 100 à 1000 fois inférieur à celui des autres technologies. A
voir : Majorana Fermions: Particle Physics on a Chip- Leo Kowenhoven,
2015 Quantum Computation possible with Majorana Fermions Topological Quantum Computer - Professor John Preskill, Caltech En attendant qu'une l'une des six technologies précitée soit appliquée dans un ordinateur quantique, la technologie la plus avancée fait appel aux semi-conducteurs, des composants à base de silicium. 7. L'ordinateur quantique à molécules intriquées Nous avons expliqué plus haut que pour fabriquer les qubits d'un ordinateur quantique, il est possible de manipuler un grand nombre de molécules en solution dans une machine à résonance magnétique nucléaire (RMN, cf. 1). Depuis, des chercheurs ont développé diverses autres plates-formes, notamment des circuits supraconducteurs et des ions individuels (cf. 4) maintenus dans le vide. Chacun de ces objets est utilisé comme qubit. Des physiciens ont également utilisé des qubits constitués d'atomes neutres (et non plus d'ions) piégés dans des "pinces" optiques (optical tweezers) à faisceau laser hautement focalisé (cf. A.Browaeys, 2008; A.Jenkins et al., 2022; H.Hwang et al., 2023). Une autre équipe a réussi à créer des qubits en faisant interagir des molécules ultra froides de potassium-rubidium (KRb), plutôt que des atomes, confinées dans un réseau optique bidimensionnel comprenant deux couches de gaz compressées (cf. W.G. Tobias et al., 2022). Puis en 2023, deux équipes indépendantes de physiciens ont réussi pour la première fois à créer des qubits avec des molécules de monofluorure de calcium (CaF) intriquées. Ces expériences permettent d'améliorer les applications potentielles des réseaux 3D de pincettes moléculaires (cf. L.W. Cheuk et al., 2023 et en PDF; Y.Bao et al., 2023 et en PDF). Selon Lawrence Cheuk, co-auteur de l'un des articles et physicien à l'Université de Princeton, "Les molécules sont un peu plus complexes, ce qui signifie qu'elles offrent de nouvelles façons d'encoder l'information quantique, ainsi que de nouvelles façons d'interagir. Cela offre des moyens sans précédent pour traiter l'information quantique."
Les deux équipes de chercheurs ont utilisé des réseaux de pinces optiques dans lequels chaque pince contient une molécule. Grâce à des techniques laser, ils ont refroidi les molécules jusqu'à quelques dizaines de microkelvins, soit quelques millionièmes de degré au-dessus du zéro absolu. Dans cet état, les molécules sont pratiquement immobiles. On peut arrêter leur spin ou les amener à tourner d'un seul quantum de moment cinétique (ħ). Les deux équipes ont utilisé des molécules non rotatives pour représenter l'état |0〉de leurs qubits et des molécules rotatives pour représenter l'état |1〉. La molécule CaF est hautement polaire, c'est-à-dire que les charges électriques négatives portées par ses électrons se regroupent vers l'atome de fluor, laissant l'extrémité calcium de la molécule avec une charge positive nette. Les chercheurs ont réussi à faire interagir deux molécules de CaF spatialement séparées afin qu'elles réagissent aux pôles positifs et négatifs de l'autre. Cette interaction dipolaire des molécules permet aux physiciens de les utiliser comme "bouton de réglage" supplémentaire. Les chercheurs ont ainsi pu démontrer que les molécules peuvent s'intriquer et donc former un système quantique collectif, une premier pas vers l'exécution d'algorithmes. Selon les chercheurs, dans la plupart des applications, les ordinateurs quantiques moléculaires sont plus lents que ceux utilisant d'autres types de qubits. Mais les molécules pourraient constituer un environnement naturel dans lequel il serait possible de manipuler l'information quantique à l'aide de "qutrits" (quantum trits), qui ont trois états possibles : -1, 0 et +1. Les qutrits pourraient offrir un moyen de réaliser des simulations quantiques de matériaux complexes ou des forces fondamentales de la physique. Ils permettraient également des mesures de haute précision susceptibles par exemple de révéler l'existence de nouvelles particules élémentaires. 8. L'ordinateur quantique à semi-conducteurs En 1998, Colin P. Williams et Alexander G. Gray du JPL (Caltech) ont suggéré de fixer les qubits dans des semi-conducteurs ou sur des photons piégés dans des cavités optiques. Les méthodes pour piéger les qubits sont variées : les uns utilisent des électrons confinés dans des nanostructures semi-conductrices, les autres des noyaux associés avec des impuretés mono-atomiques dans un semi-conducteur ou encore des flux électroniques ou magnétiques circulant dans des supraconducteurs. A la même époque le physicien Bruce E.Kane de l'Université de New South Wales en Australie proposa d'utiliser des spins nucléaires d'atomes dopés (contenant des impuretés) dans un cristal de silicium pur (silicium-28) servant de base au qubit, modèle qui donna naissance à "l'architecture de Kane". Sous cette forme monocristalline le cristal de silicium présente des propriétés étonnantes et inattendues jusqu'alors réservées à des enceintes de confinement sous vide. Cette architecture innovante laisse entrevoir la possibilité de fabriquer un ordinateur quantique à silicium scalable, c’est-à-dire que la combinaison d'unités élémentaires de processeurs quantiques permettrait de gérer des millions de qubits. C'est dans ce contexte qu'en 2008 Ben Murdin et ses collègues de l’Université de Surrey, de l’University College de Londres et de l'Université Heriot-Watt sont parvenus à piéger des atomes dans un monocristal de silicium et démontrèrent que les ondes quantiques oscillaient suffisamment longtemps (jusqu'à plusieurs minutes selon d'autres études) pour effectuer des calculs. Ces travaux ont permis d’explorer le phénomène de cohérence quantique dans des cristaux solides tout en avançant sur la voie de l’ordinateur quantique scalable. Entre-temps, au Canada une petite révolution était en train de naître. En 1999, le Dr Geordie Rose, physicien théoricien de l'Université de Colombie Britannique et expert des effets quantiques dans les matériaux fonda la société D-Wave Systems avec l'intention de fabriquer un ordinateur quantique avec ses collègues physiciens et ingénieurs. Pendant 5 ans, Rose et ses collègues effectuèrent des recherches, déposent plus de 90 brevets aux Etats-Unis et plus de 100 brevets dans le monde. En 2004, ils prirent la décision de concevoir un ordinateur quantique. Pari gagné. L'ordinateur quantique D-Wave En 2009, D-Wave Systems annonça qu'ils avaient fabriqué le premier ordinateur quantique scalable contenant un processeur de 128 qubits. Le CPU ou plutôt le QPU (quantum processor unit) mesure 4.6x7.2 mm et contient 23360 jonctions de Josephson. Nommé "D-Wave 1", il dispose d'un processeur Rainier de 32, 64 ou 128 qubits. En fait il exploite une architecture semi-classique de 16 registres de 8 qubits (différent de 2128 qubits). Le système est contenu dans une enceinte cryogénique de 27 m3 scellée sur laquelle ne peuvent intervenir que les ingénieurs du fabricant. Cet ordinateur est proposé à partir de 10 millions de dollars. A
voir : 128
qubit processor - Inside the chip Architecture d'un QPU Rainier de 128 qubits, D-Wave Systems
En 2012, Colin P.Williams rejoignit D-Wave Systems en tant que directeur commercial et des partenariats stratégiques. En 2013, D-Wave Systems annonça qu'ils avaient fabriqué un nouvel ordinateur quantique de 512 qubits, D-Wave Two, et franchit les 1000 qubits en 2015. Alors que les experts l'annonçaient pour 2015, D-Wave Systems annonça début 2017 la livraison des premiers calculateurs quantiques cryogéniques de 2000 qubits. Pour maîtriser les effets quantiques, le processeur à supraconcuteurs est refroidi à la température record de 0.015 K soit -273°C et placé sous un vide extrêment poussé de 10-10 atm. Ce système consomme moins de 25 kW (contre environ 2590 kW pour un superordinateur traditionnel). Selon les projections, des systèmes de 10000 qubits pourraient être commercialisés vers 2025 (voir page 4). Parmi les rares clients, la NASA acheta un tel ordinateur et Google travaille depuis 2009 avec D-Wave Systems afin de fabriquer son propre ordinateur quantique. Le premier ordinateur D-Wave de 128 qubits fut vendu à Lockeed Martin en 2011 qui par la suite l'a upgradé à 512 qubits puis à plus de 1000 qubits en 2015 avec le modèle D-Wave 2X. Un D-Wave Two fut également installé dans le laboratoire Quantum Artificial Intelligence Lab (QuAIL) de la division Advanced Supercomputing (NAS) de la NASA située sur le campus du centre Ames. Google qui travaille en partenariat avec D-Wave Systems depuis 1999, a également acheté le même modèle en partenariat avec la NASA ainsi que l'USRA. Après une première mise à niveau avec un système D-Wave 2X, en 2017 la NASA, Google et l''USRA ont annoncé leur intention d'upgrader leur système avec le nouveau modèle D-Wave 2000Q. Enfin, l'Europe s'est finalement lancée dans cette technologie. En effet, lors du CeBIT 2017, le fabricant automobile allemand Volkswagen annonça qu'il allait travailler en collaboration avec D-Wave Systems et utiliserait prochainement un ordinateur quantique dans le cadre de son projet d'optimisation du flux du trafic dans la mégapole chinoise de Beijing.
Selon D-Wave Systems, à condition de disposer des algorithmes et des applications adéquates ce qui exige la formation des programmeurs, ce genre de système facilite les recherches dans les domaines aussi divers que la recherche sémantique sur le web, la reconnaissance vocale, la planification des tâches, la gestion du trafic aérien ou routier, les missions spatiales robotisées et le support opérationnel dans les centres de contrôle. Le but de cette collaboration entre des entreprises privées et publiques est de permettre à tous les chercheurs de tirer avantage de l'informatique quantique pour explorer les possibilités de résolution des problèmes complexes dits "NP-difficiles". De quoi s'agit-il ? La théorie de la complexité au service de l'informatique quantique Dans la théorie de la complexité un problème de décision peut être classé en différentes familles de complexités, la classe NP reprenant les problèmes Non-déterminés Polynomiaux. Un exemple de problème NP-complet (un sous-ensemble des problèmes NP-difficiles) est celui de la factorisation des grands nombres ou du voyageur de commerce qui doit visiter plusieurs villes distantes et déterminer quel est le chemin optimal pour couvrir tout le secteur. Si les slimes sont capables de trouver ce chemin d'instinct l'homme doit s'en reporter aux ordinateurs... Les travaux des chercheurs de Google, de la NASA et de l'USRA devraient principalement porter sur la création d'algorithmes optimisant la recherche d'informations, y compris l'analyse de données et la prise de décision. Ils devraient aussi se pencher sur les applications combinant informatiques classique et quantique, notamment toutes les recherches nécessitant des simulations très avancées et gourmandes en ressources. Quelles sont les performances de D-Wave Two ? Alors que les chercheurs de D-Wave Systems ventent les prouesses de leur dernier ordinateur quantique, d'autres chercheurs tel Scott Aaronson du MIT sont plus critiques. En effet, il convient de tempérer l'enthousiasme de Geordie Rose car l'architecture de son ordinateur présente des limites inhérentes bien que ses performances restent intéressantes. Dans l'état actuel de la technologie et selon les informations très partielles que laisse filtrer D-Wave Systems, les physiciens ne considèrent pas D-Wave comme un ordinateur mais plutôt comme un optimiseur. Cela veut dire concrètement qu'il est spécialisé dans une seule tâche : calculer certaines fonctions. En fait D-Wave Two est optimisé pour effectuer une seule opération mathématique qu'on appelle une optimisation discrète, un cas particulier des problèmes NP-difficiles. Cela veut dire que D-Wave Two ne peut résoudre un problème que s'il peut se le représenter lui-même. Il semble incapable de résoudre un problème arbitraire comme on le fait avec un ordinateur domestique. Si vous posez la question à Rose il vous dira clairement que son système aussi impressionnant soit-il ne peut pas réaliser une tâche aussi élémentaire qu'inverser un bit. Il faut donc encore le programmer, voire modifier son architecture pour qu'il puisse traiter de l'information et simuler des processus. D-Wave n'utilise pas un circuit quantique classique mais un modèle basé sur les travaux d'Edward Farhi et al. publiés en 2000 consacré à l'ordinateur quantique adiabatique, c'est-à-dire un système dans lequel le processeur est totalement isolé du monde extérieur durant le temps de calcul et doit être maintenu dans une enceinte cryogénique (à 20 mK ou -273.13°C pour le processeur) pour éviter les interférences. De plus, comme nous l'avons expliqué, D-Wave 1 n'utilise pas un vrai processeur 128 qubits mais bien 16 registres de 8 qubits. D-Wave Two utilise 32 registres de 16 qubits. Ses performances globales sont d'environ 420 GFLOPS alors que celles du superordinateur vectoriel NEC SX-9 atteignaient déjà 970 TFLOPS en 2009. A titre de comparaison, un ordinateur quantique à semi-conducteurs travaille à 100 GHz environ, soit cent fois plus vite qu'un ordinateur domestique actuel. Mais s'ils manipulent des photons, sa cadence peut atteindre 1 THz comme l'a montré Jeremy O'Brien et son équipe en 2009. 1 TeraFLOPS ou TFLOPS correspond à 1 milliard d'opérations en virgule flottante par seconde (ou 1000 Mips), l'équivalent de 1000 processeurs Pentium cadencés à 1 GHz. Un ordinateur classique cadencé à 1 GHz présente une capacité de calcul d'environ 1 GFLOPS mais la progression n'est pas strictement linéaire car elle dépend des performances des caches du processeur. D'aucun se sont donc demandés à juste titre si les performances de D-Wave Two relevaient vraiment d'un comportement quantique ou plutôt d'une simple accélération des calculs comparé à la vitesse de traitement d'un ordinateur classique. D-Wave Two contre les solveurs : 1-0 Catherine McGeoch de l'Amherst College du Massachusetts et Cong Wang de l'Université Simon Fraser ont publié en 2013 un article dans le New York Times montrant effectivement que D-Wave pouvait résoudre très rapidement certains problèmes NP-complets. Le test a été effectué entre un système D-Wave Two contenant un processeur Vesuvius de 439 qubits, le Blackbox (un hybride Vesuvius 5/solution logicielle) et trois logiciels spécialisés (les solveurs d'optimisation linéaire CPLEX d'IBM ILOG, l'open source METSlib Tabu et Akmaxsat d'Adrian Kügel) tournant sur un processeur Intel Xeon E5-2690 de 2.9 GHz sous OS Linux Ubuntu 12.04. Le test révèle que D-Wave Two était jusqu'à 3600 fois plus rapide que les systèmes conventionnels. Son étude a également brièvement testé le nouveau chip Vesuvius 6 de D-Wave et conclut qu'il devait être environ 10000 fois plus rapide que les solveurs ! Les travaux de D-Wave Systems sont donc intéressants car d'une part ils ont abouti à la conception d'un calculateur opérationnel plus rapide que tout autre machine et d'autre part, bien que le système ne soit pas aussi efficace qu'un circuit 100% quantique, cette architecture hybride est scalable et donc plus facile à fabriquer. Mais comme l'a expliqué McGeoh au New York Times, les résultats d'une autre étude sur les performances de l'ordinateur D-Wave ne reflètent pas l'état de l'informatique quantique d'aujourd'hui. Son étude a uniquement mesuré les performances des algorithmes utilisés par D-Wave. Parmi les trois problèmes mathématiques NP-complexes soumis, D-Wave avait un léger avantage sur deux d'entre eux et un énorme avantage sur le troisième. Bref, le résultat reste très positif. Il convient donc de prendre les commentaires publiés par D-Wave Systems avec du recul, d'autant que D-Wave n'est pas la seule manière de concevoir un ordinateur quantique. Le progrès continue... Prochain chapitre
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