Les scientifiques du NIST ont introduit un dispositif « interrupteur à bascule » pour les ordinateurs quantiques qui ajuste les connexions entre les qubits et un résonateur de lecture. L’appareil relève des défis tels que le bruit et les limitations de reprogrammation, ouvrant la voie à une informatique quantique plus flexible et plus précise.
Le nouveau dispositif pourrait conduire à des processeurs quantiques plus polyvalents avec des sorties plus claires.
À quoi sert un ordinateur puissant si vous ne pouvez pas lire ses résultats ? Ou le reprogrammer facilement pour effectuer différentes tâches ? Les personnes qui conçoivent des ordinateurs quantiques sont confrontées à ces défis, et un nouveau dispositif pourrait les rendre plus faciles à résoudre.
Présenté par une équipe de scientifiques de l’Institut national des normes et technologies (NIST), le dispositif comprend deux bits quantiques supraconducteurs, ou qubits, qui sont l’analogue d’un ordinateur quantique aux bits logiques d’une puce de traitement d’un ordinateur classique. Le cœur de cette nouvelle stratégie repose sur un dispositif « interrupteur à bascule » qui connecte les qubits à un circuit appelé « résonateur de lecture » capable de lire le résultat des calculs des qubits.
Le mécanisme de l’interrupteur à bascule
Cet interrupteur à bascule peut être basculé dans différents états pour ajuster la force des connexions entre les qubits et le résonateur de lecture. Lorsqu’ils sont désactivés, les trois éléments sont isolés les uns des autres. Lorsque le commutateur est activé pour connecter les deux qubits, ils peuvent interagir et effectuer des calculs. Une fois les calculs terminés, l’interrupteur à bascule peut connecter l’un ou l’autre des qubits et le résonateur de lecture pour récupérer les résultats.
Avoir un interrupteur à bascule programmable contribue grandement à réduire le bruit, un problème courant dans les circuits informatiques quantiques qui rend difficile pour les qubits d’effectuer des calculs et d’afficher clairement leurs résultats.
Cette photo montre la région de travail centrale de l’appareil. Dans la partie inférieure, les trois grands rectangles (bleu clair) représentent les deux bits quantiques, ou qubits, à droite et à gauche et le résonateur au centre. Dans la section supérieure agrandie, le passage des micro-ondes à travers l’antenne (grand rectangle bleu foncé en bas) induit un champ magnétique dans la boucle SQUID (plus petit carré blanc au centre, dont les côtés mesurent environ 20 micromètres de long). Le champ magnétique active l’interrupteur à bascule. La fréquence et l’amplitude des micro-ondes déterminent la position du commutateur et la force de la connexion entre les qubits et le résonateur. Crédit : R. Simmonds/NIST
Améliorer les performances et la fidélité
« L’objectif est de garder les qubits heureux afin qu’ils puissent calculer sans distractions, tout en étant capables de les lire quand nous le souhaitons », a déclaré Ray Simmonds, physicien du NIST et l’un des auteurs de l’article. « Cette architecture de dispositif contribue à protéger les qubits et promet d’améliorer notre capacité à effectuer les mesures haute fidélité requises pour construire des processeurs d’informations quantiques à partir de qubits. »
L’équipe, qui comprend également des scientifiques de l’Université du Massachusetts Lowell, de l’Université du Colorado à Boulder et de Raytheon BBN Technologies, décrit ses résultats dans un article publié récemment dans la revue Physique naturelle.
Informatique quantique : état actuel et défis
Les ordinateurs quantiques, qui en sont encore à leurs balbutiements, exploiteraient les propriétés étranges de la mécanique quantique pour effectuer des tâches que même nos ordinateurs classiques les plus puissants trouvent insolubles, comme contribuer au développement de nouveaux médicaments en effectuant des simulations sophistiquées d’interactions chimiques. .
Cependant, les concepteurs d’ordinateurs quantiques sont encore confrontés à de nombreux problèmes. L’une d’entre elles est que les circuits quantiques sont perturbés par des bruits externes, voire internes, résultant de défauts dans les matériaux utilisés pour fabriquer les ordinateurs. Ce bruit est essentiellement un comportement aléatoire qui peut créer des erreurs dans les calculs de qubits.
Le problème du bruit dans l’informatique quantique
Les qubits actuels sont intrinsèquement bruyants, mais ce n’est pas le seul problème. De nombreuses conceptions d’ordinateurs quantiques ont ce qu’on appelle une architecture statique, dans laquelle chaque qubit du processeur est physiquement connecté à ses voisins et à son résonateur de lecture. Le câblage fabriqué qui relie les qubits entre eux et à leur lecture peut les exposer à encore plus de bruit.
De telles architectures statiques présentent un autre inconvénient : elles ne peuvent pas être reprogrammées facilement. Les qubits d’une architecture statique pourraient effectuer quelques tâches connexes, mais pour que l’ordinateur puisse effectuer un plus large éventail de tâches, il lui faudrait échanger une conception de processeur différente avec une organisation ou une disposition de qubits différente. (Imaginez changer la puce de votre ordinateur portable à chaque fois que vous avez besoin d’utiliser un logiciel différent, puis considérez que la puce doit être maintenue un peu au-dessus. zéro absoluet vous comprenez pourquoi cela pourrait s’avérer gênant.)
La solution d’interrupteur à bascule programmable
L’interrupteur à bascule programmable de l’équipe évite ces deux problèmes. Premièrement, cela empêche le bruit du circuit de s’infiltrer dans le système via le résonateur de lecture et empêche les qubits d’avoir une conversation entre eux lorsqu’ils sont censés être silencieux.
« Cela réduit une source clé de bruit dans un ordinateur quantique », a déclaré Simmonds.
Deuxièmement, l’ouverture et la fermeture des interrupteurs entre les éléments sont contrôlées par un train d’impulsions micro-ondes envoyées à distance, plutôt que par les connexions physiques d’une architecture statique. L’intégration d’un plus grand nombre de ces interrupteurs à bascule pourrait constituer la base d’un ordinateur quantique plus facilement programmable. Les impulsions micro-ondes peuvent également définir l’ordre et la séquence des opérations logiques, ce qui signifie qu’une puce construite avec de nombreux interrupteurs à bascule de l’équipe pourrait être chargée d’effectuer n’importe quel nombre de tâches.
« Cela rend la puce programmable », a déclaré Simmonds. « Plutôt que d’avoir une architecture complètement fixe sur la puce, vous pouvez apporter des modifications via un logiciel. »
Avantages supplémentaires et orientations futures
Un dernier avantage est que l’interrupteur à bascule peut également activer la mesure des deux qubits en même temps. Cette capacité à demander aux deux qubits de se révéler en couple est importante pour traquer les erreurs de calcul quantique.
Les qubits de cette démonstration, ainsi que l’interrupteur à bascule et le circuit de lecture, étaient tous constitués de composants supraconducteurs qui conduisent l’électricité sans résistance et doivent fonctionner à des températures très froides. L’interrupteur à bascule lui-même est constitué d’un dispositif d’interférence quantique supraconducteur, ou « SQUID », qui est très sensible aux champs magnétiques traversant sa boucle. Faire passer un courant micro-ondes à travers une boucle d’antenne proche peut induire des interactions entre les qubits et le résonateur de lecture en cas de besoin.
À ce stade, l’équipe n’a travaillé qu’avec deux qubits et un seul résonateur de lecture, mais Simmonds a déclaré qu’elle préparait une conception avec trois qubits et un résonateur de lecture, et qu’elle envisageait également d’ajouter davantage de qubits et de résonateurs. Des recherches plus approfondies pourraient donner un aperçu de la façon de relier plusieurs de ces appareils, offrant potentiellement un moyen de construire un ordinateur quantique puissant avec suffisamment de qubits pour résoudre les types de problèmes qui, pour l’instant, sont insurmontables.
