Le nouveau dispositif pourrait conduire à des processeurs quantiques plus polyvalents avec des sorties plus claires. —

Le dispositif, présenté par une équipe de scientifiques du National Institute of Standards and Technology (NIST), 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 » qui peut lire la sortie des calculs des qubits.

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 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.

“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 voulons”, a déclaré Ray Simmonds, physicien du NIST et l’un des auteurs de l’article. “Cette architecture d’appareil aide à protéger les qubits et promet d’améliorer notre capacité à effectuer les mesures haute fidélité nécessaires 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 aujourd’hui dans Physique naturelle.

Les ordinateurs quantiques, qui sont encore à un stade naissant de développement, exploiteraient les propriétés bizarres de la mécanique quantique pour effectuer des tâches que même nos ordinateurs classiques les plus puissants trouvent insolubles, comme aider 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’un d’eux est que les circuits quantiques sont bousculés par le bruit externe ou même interne, qui provient 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 qubit.

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, où 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 devrait échanger une conception de processeur différente avec une organisation ou une disposition de qubit différente. (Imaginez que vous changez la puce de votre ordinateur portable chaque fois que vous avez besoin d’utiliser un logiciel différent, puis considérez que la puce doit être maintenue un peu au-dessus du zéro absolu, et vous comprenez pourquoi cela peut s’avérer gênant.)

L’interrupteur à bascule programmable de l’équipe évite ces deux problèmes. Tout d’abord, il 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 commutateurs 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 figée sur la puce, vous pouvez apporter des modifications via un logiciel.”

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 tant que 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 fabriqué à partir d’un dispositif d’interférence quantique supraconducteur, ou “SQUID”, qui est très sensible aux champs magnétiques traversant sa boucle. L’entraînement d’un courant micro-onde à travers une boucle d’antenne à proximité 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 prévoyait également d’ajouter plus de qubits et de résonateurs. Des recherches plus approfondies pourraient offrir des informations sur la manière d’enchaîner bon nombre 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.