La mécanique quantique décrit le comportement étrange des particules microscopiques. L’utilisation de systèmes quantiques pour effectuer des calculs promet de permettre aux chercheurs de résoudre des problèmes dans des domaines allant de la chimie à la cryptographie, qui ont tellement de solutions possibles qu’elles dépassent les capacités des ordinateurs non quantiques les plus puissants possibles.
L’informatique quantique dépend du développement de technologies quantiques pratiques par les chercheurs. Les circuits électriques supraconducteurs constituent une technologie prometteuse, mais il n’y a pas si longtemps, on ne savait même pas s’ils présentaient un comportement quantique. Le prix Nobel de physique 2025 a été décerné à trois scientifiques pour leurs travaux démontrant que les effets quantiques persistent même dans les grands circuits électriques, ce qui a permis le développement de technologies quantiques pratiques.
Je suis un physicien qui étudie les circuits supraconducteurs pour l'informatique quantique et d'autres utilisations. Les travaux dans mon domaine découlent des recherches révolutionnaires menées par les lauréats du prix Nobel.
Grand, froid, quantique
Dans leurs travaux de 1984 et 1985, alors doctorants. L'étudiant John Martinis, le chercheur postdoctoral Michel Devoret et le professeur John Clarke de l'UC Berkeley ont montré que même les grands circuits électriques pouvaient présenter un comportement quantique. Ils ont utilisé un circuit composé de niobium et de plomb. Refroidis à quelques degrés au-dessus du zéro absolu, ces métaux deviennent supraconducteurs. Un supraconducteur est un matériau qui transporte un courant sans générer de chaleur.
Martinis, Devoret et Clarke ont montré que dans un supraconducteur, les tensions et les courants sont régis par la mécanique quantique. Le circuit a des niveaux d’énergie quantifiés, c’est-à-dire discrets et indivisibles, et il peut être en superpositions de plusieurs états.
Tout système physique peut être décrit par un état, qui vous dit tout ce qu'il y a à savoir sur ce système. La mécanique quantique montre qu’un état peut avoir certaines valeurs quantifiées de choses mesurables. Un exemple est l’énergie : un système particulier pourrait avoir l’énergie 1 ou l’énergie 2, mais rien entre les deux. Dans le même temps, un système quantique peut être dans une superposition de plusieurs états, tout comme vous pouvez ajouter différentes quantités de rouge/vert/bleu pour obtenir n'importe quelle couleur dans un pixel d'une image.
Surtout, les lauréats ont montré que les chercheurs peuvent décrire l'un de ces circuits supraconducteurs comme s'il s'agissait d'une seule particule quantique. Ce comportement simple est ce qui rend les circuits supraconducteurs si utiles en tant que technologie.
Aujourd’hui, les circuits supraconducteurs sont utilisés pour étudier la physique quantique fondamentale, pour simuler d’autres systèmes physiques et pour tester des protocoles de détection ultraprécise. Par exemple, le groupe Devoret a récemment démontré un amplificateur micro-ondes quasi idéal basé sur un circuit supraconducteur. Les amplificateurs micro-ondes sont largement utilisés dans les instruments de communication, les radars et les instruments scientifiques.
Le groupe Martinis a utilisé des circuits supraconducteurs pour émuler un groupe de particules de type électronique. Ce type de simulation est une technique clé dans l’étude de la physique fondamentale.
Dans mon propre groupe, nous avons récemment utilisé un circuit supraconducteur pour démontrer un protocole permettant de mesurer un champ magnétique de manière plus sensible que les techniques standard. Les capteurs quantiques mesurent des grandeurs physiques avec une extrême précision, de l’activité biologique aux anomalies gravitationnelles.
Mais l’application de loin la plus importante des circuits supraconducteurs est celle de plate-forme pour l’informatique quantique.
Ordinateurs quantiques supraconducteurs
Plusieurs systèmes quantiques peuvent interagir les uns avec les autres et s’enchevêtrer, de sorte qu’ils agissent comme un système unique. Cette combinaison de quantification, de superposition et d’intrication est ce qui donne leur puissance aux ordinateurs quantiques.
Dans la technologie informatique quantique, les chercheurs utilisent un système quantique – un bit quantique ou qubit – qui ne peut être que dans deux états. Les qubits doivent être cohérents. Cela signifie que si nous le mettons dans un état particulier, nous voulons qu'il y reste et ne soit pas envoyé au hasard vers un autre état. Les qubits doivent être contrôlables. Cela signifie que les chercheurs devraient être capables de faire changer d’état un qubit selon les besoins et de le faire interagir avec d’autres qubits. Et les qubits doivent être évolutifs, ce qui signifie que nous devons en fabriquer un grand nombre.
De nombreuses technologies sont prometteuses, comme les réseaux d'atomes dans le vide, les ions piégés, les électrons piégés dans les semi-conducteurs et les photons contrôlés par des circuits optiques. Mais toutes les technologies font des compromis, sacrifiant la cohérence, la contrôlabilité ou l’évolutivité pour améliorer autre chose.
La simplicité et la flexibilité des circuits supraconducteurs signifient qu'en modifiant la conception du circuit, les chercheurs peuvent obtenir presque tous les comportements de qubits souhaités, et ce comportement est facile à prédire. Cela atteint le point idéal technologique pour l’informatique quantique. De toute évidence, les technologies quantiques, telles que les atomes piégés, sont si petites qu’il peut être difficile de les contrôler et d’interagir avec elles. Les qubits supraconducteurs sont suffisamment gros pour être faciles à contrôler, suffisamment simples pour être fiables et suffisamment quantiques pour que le tout fonctionne.
Aujourd’hui, des groupes de recherche universitaires comme le mien développent de nouveaux types de qubits supraconducteurs, cherchent des moyens de les rendre plus cohérents, tentent d’améliorer notre contrôle et développent des techniques pour les rendre plus faciles à mettre à l’échelle. Les entreprises et les laboratoires gouvernementaux utilisent ces résultats académiques ainsi que leurs propres recherches fondamentales et les appliquent, réalisant l’ingénierie difficile nécessaire pour créer des processeurs quantiques à grande échelle destinés à une utilisation pratique.
Pionniers des supraconducteurs
Sans surprise, les lauréats du prix Nobel ont apporté et continuent d’apporter d’énormes contributions au-delà de leurs travaux des années 1980. En plus de ses travaux universitaires, Martinis dirigeait auparavant l'effort de processeur quantique de Google et possède désormais sa propre entreprise, tandis que Devoret participe désormais aux efforts de Google. Clarke, aujourd'hui à la retraite, a également réalisé une grande partie de ses travaux de fin de carrière sur les circuits quantiques. Et ils ont eu un impact majeur sur ma carrière et sur bien d’autres.
J'ai eu le privilège de participer à une table ronde avec Devoret le 22 mai 2025. Il a fait une déclaration mémorable : choisir un conseiller pédagogique peut être encore plus compliqué que choisir un conjoint, car « vous ne pouvez pas divorcer de votre conseiller ».
On plaisante souvent en disant que la moitié des chercheurs dans le domaine des supraconducteurs quantiques peuvent retracer une lignée académique jusqu'à Clarke. Je peux le faire deux fois : mon doctorat. Le conseiller Irfan Siddiqi était conseillé par Devoret et Clarke était mon conseiller secondaire. Et l’une de mes réalisations dont je suis le plus fier en tant qu’étudiant diplômé a été de ne pas paniquer lorsque Martinis m’a attrapé après avoir donné une conférence pour me griller sur les détails.
Aujourd’hui, ils sont honorés pour leur travail, et demain, moi et les autres chercheurs qu’ils ont formés, ferons de notre mieux pour le poursuivre.
