À la fin de l’année dernière, le géant de la technologie IBM a annoncé ce qui pourrait ressembler à une étape importante dans l’informatique quantique : la toute première puce, appelée Condor, dotée de plus de 1,000 100 bits quantiques, ou qubits. Étant donné que c'était à peine deux ans après que la société a dévoilé Eagle, la première puce de plus de XNUMX qubits, il semblait que le peloton était en pleine course. Fabriquer des ordinateurs quantiques capables de résoudre des problèmes utiles allant au-delà de la portée des supercalculateurs classiques d'aujourd'hui, même les plus puissants, nécessite de les étendre encore plus – peut-être jusqu'à plusieurs dizaines ou centaines de milliers de qubits. Mais ce n’est sûrement qu’une question d’ingénierie, n’est-ce pas ?

Pas nécessairement. Les défis liés à la mise à l'échelle sont si grands que certains chercheurs pensent que cela nécessitera un matériel totalement différent de la microélectronique utilisée par des sociétés comme IBM et Google. Les qubits du Condor et de la puce Sycamore de Google sont constitués de boucles de matériau supraconducteur. Ces qubits supraconducteurs ont jusqu’à présent été le lièvre dans la course à l’informatique quantique à grande échelle. Mais maintenant, une tortue arrive par derrière : des qubits fabriqués à partir d'atomes individuels.

Des progrès récents ont transformé ces « qubits d’atomes neutres » du statut d’étrangers à ceux de principaux concurrents.

"Les deux ou trois dernières années ont vu des progrès plus rapides que n'importe quelle période précédente", a déclaré le physicien Mark Saffman de l'Université du Wisconsin à Madison, qui a dénombré au moins cinq entreprises se précipitant pour commercialiser l'informatique quantique à atomes neutres.

Comme les bits des ordinateurs ordinaires, les qubits codent des informations binaires : des 1 et des 0. Mais alors qu’un bit est toujours dans un état ou dans un autre, l’information contenue dans un qubit peut rester indéterminée, dans une « superposition » qui donne du poids aux deux possibilités. Pour réaliser un calcul, les qubits sont liés grâce au phénomène appelé intrication quantique, qui rend leurs états possibles interdépendants. Un algorithme quantique particulier peut exiger une succession d'intrications entre différents ensembles de qubits, et la réponse est lue à la fin du calcul lorsqu'une mesure est effectuée, réduisant chaque superposition à un 1 ou un 0 défini.

L'idée d'utiliser les états quantiques des atomes neutres pour coder les informations de cette manière a été proposé au début des années 2000 par le physicien de Harvard Mikhail Lukin et collègues, et aussi par un groupe dirigé par Ivan Deutsch de l'Université du Nouveau-Mexique. Pendant longtemps, la communauté des chercheurs au sens large a convenu que l'informatique quantique à atomes neutres était en principe une excellente idée, a déclaré Lukin, mais que « cela ne fonctionne tout simplement pas » en pratique.

« Mais 20 ans plus tard, les autres approches n'ont pas permis de conclure l'affaire », a déclaré Saffman. "Et l'ensemble des compétences et des techniques nécessaires pour faire fonctionner les atomes neutres ont progressivement évolué au point où elles semblent très prometteuses."

Le laboratoire de Lukin à Harvard fait partie de ceux qui ont ouvert la voie. En décembre, lui et ses collègues rapporté qu'ils ont créé des circuits quantiques programmables avec des centaines de qubits d'atomes neutres et qu'ils ont effectué des calculs quantiques et des corrections d'erreurs avec eux. Et ce mois-ci, une équipe du California Institute of Technology rapporté qu'ils ont créé un ensemble de 6,100 XNUMX qubits atomiques. De tels résultats séduisent de plus en plus les adeptes de cette approche.

"Il y a dix ans, je n'aurais pas inclus ces méthodes [à atomes neutres] si j'avais parié sur l'avenir de l'informatique quantique", a déclaré Andrew Steane, théoricien de l'information quantique à l'Université d'Oxford. "Cela aurait été une erreur."

Bataille des Qubits

Un problème clé dans la compétition entre les types de qubits est la durée pendant laquelle chaque type de qubit peut maintenir sa superposition avant d'être altéré par une fluctuation aléatoire (par exemple thermique). Pour les qubits supraconducteurs comme ceux d'IBM et de Google, ce « temps de cohérence » est généralement d'environ une milliseconde au mieux. Toutes les étapes d’un calcul quantique doivent se dérouler dans ce laps de temps.

L’un des avantages du codage des informations dans les états d’atomes individuels est que leurs temps de cohérence sont généralement beaucoup plus longs. De plus, contrairement aux circuits supraconducteurs, les atomes d’un type donné sont tous identiques, de sorte que des systèmes de contrôle sur mesure ne sont pas nécessaires pour saisir et manipuler des états quantiques subtilement différents.

Et tandis que le câblage utilisé pour relier les qubits supraconducteurs dans des circuits quantiques peut devenir horriblement compliqué – d’autant plus que le système évolue – aucun câblage n’est nécessaire dans le cas des atomes. Tout l’enchevêtrement se fait à l’aide de la lumière laser.

Cet avantage représentait initialement un défi. Il existe une technologie bien développée pour créer des circuits et des fils microélectroniques complexes, et l'une des raisons probables pour lesquelles IBM et Google ont initialement investi dans les qubits supraconducteurs n'est pas parce qu'ils étaient évidemment les meilleurs, mais parce qu'ils nécessitaient le type de circuits auxquels ces entreprises sont habituées, a déclaré Stuart Adams, physicien à l'Université de Durham au Royaume-Uni qui travaille sur l'informatique quantique à atomes neutres. « L’optique atomique basée sur le laser leur semblait totalement inconnue. Toute l’ingénierie est complètement différente.

Les qubits constitués d’atomes chargés électriquement – ​​appelés ions – peuvent également être contrôlés par la lumière, et les ions ont longtemps été considérés comme de meilleurs candidats qubits que les atomes neutres. En raison de leur charge, les ions sont relativement faciles à piéger dans les champs électriques. Les chercheurs ont créé des pièges à ions en suspendant les ions dans une minuscule cavité sous vide à des températures ultra-basses (pour éviter les secousses thermiques) tandis que des faisceaux laser les font basculer entre différents états d'énergie pour manipuler les informations. Des ordinateurs quantiques à piège à ions dotés de dizaines de qubits ont maintenant été démontrés, et plusieurs startups développent la technologie en vue de la commercialisation. "Jusqu'à présent, le système le plus performant en termes de fidélité, de contrôle et de cohérence est celui des ions piégés", a déclaré Saffman.

Piéger les atomes neutres est plus difficile car il n’y a aucune charge à retenir. Au lieu de cela, les atomes sont immobilisés dans des champs de lumière intense créés par des faisceaux laser, appelés pinces optiques. Les atomes préfèrent généralement s’asseoir là où le champ lumineux est le plus intense.

Et il y a un problème avec les ions : ils ont tous une charge électrique du même signe. Cela signifie que les qubits se repoussent. En coincer un grand nombre dans le même petit espace devient de plus en plus difficile à mesure qu’il y a d’ions. Avec les atomes neutres, une telle tension n’existe pas. Selon les chercheurs, cela rend les qubits d’atomes neutres beaucoup plus évolutifs.

De plus, les ions piégés sont disposés en rangée (ou, récemment, en boucle).piste de course»). Cette configuration rend difficile l'enchevêtrement d'un qubit d'ion avec un autre, disons à 20 endroits le long de la rangée. "Les pièges à ions sont intrinsèquement unidimensionnels", a déclaré Adams. "Il faut les disposer en ligne, et il est très difficile de voir comment on peut atteindre mille qubits de cette façon."

Les réseaux d’atomes neutres peuvent constituer une grille bidimensionnelle, beaucoup plus facile à étendre. "Vous pouvez mettre beaucoup de choses dans le même système, et ils n'interagissent pas lorsque vous ne le souhaitez pas", a déclaré Saffman. Son groupe et d’autres ont ainsi piégé plus de 1,000 XNUMX atomes neutres. "Nous pensons pouvoir en emballer des dizaines, voire des centaines de milliers, dans un appareil à l'échelle centimétrique", a-t-il déclaré.

En effet, dans leurs travaux récents, l'équipe de Caltech a créé un réseau de pinces optiques d'environ 6,100 12.6 atomes de césium neutres, bien qu'ils n'aient encore effectué aucun calcul quantique avec eux. Ces qubits avaient également des temps de cohérence de XNUMX secondes, un record jusqu'à présent pour ce type de qubit.

Le blocus de Rydberg

Pour que deux ou plusieurs qubits soient intriqués, ils doivent interagir les uns avec les autres. Les atomes neutres « sentent » la présence les uns des autres via les forces dites de Van der Waals, qui résultent de la façon dont un atome réagit aux fluctuations du nuage d'électrons d'un autre atome voisin. Mais ces faibles forces ne se font sentir que lorsque les atomes sont extrêmement rapprochés. Manipuler des atomes normaux avec la précision requise à l’aide de champs lumineux n’est tout simplement pas réalisable.

Comme Lukin et ses collègues l'ont souligné dans leur proposition initiale en 2000, la distance d'interaction peut être considérablement augmentée si nous augmentons la taille des atomes eux-mêmes. Plus un électron possède d’énergie, plus il a tendance à s’éloigner du noyau atomique. Si un laser est utilisé pour pomper un électron dans un état d'énergie bien supérieur à celui que l'on trouve habituellement dans les atomes - appelé état de Rydberg en l'honneur du physicien suédois Johannes Rydberg, qui, dans les années 1880, a étudié la façon dont les atomes émettent de la lumière à des longueurs d'onde discrètes - l'électron peut se déplacer des milliers de fois plus loin du noyau que d'habitude.

Cette augmentation de taille permet à deux atomes séparés de plusieurs micromètres – parfaitement réalisables dans les pièges optiques – d’interagir.

Pour mettre en œuvre un algorithme quantique, les chercheurs codent d’abord les informations quantiques dans une paire de niveaux d’énergie atomique, en utilisant des lasers pour commuter les électrons entre les niveaux. Ils enchevêtrent ensuite les états des atomes en activant les interactions Rydberg entre eux. Un atome donné peut être excité ou non jusqu'à un état de Rydberg, selon le niveau d'énergie dans lequel se trouve son électron - un seul d'entre eux se trouve à la bonne énergie pour résonner avec la fréquence du laser d'excitation. Et si l'atome interagit actuellement avec un autre, cette fréquence d'excitation se déplace légèrement afin que l'électron ne résonne pas avec la lumière et ne puisse pas faire le saut. Cela signifie que seul l’un ou l’autre d’une paire d’atomes en interaction peut maintenir un état de Rydberg à tout moment ; leurs états quantiques sont corrélés – ou en d’autres termes, intriqués. Ce soi-disant blocus de Rydberg, d'abord proposé par Lukin et ses collègues en 2001 comme moyen d'enchevêtrer les qubits des atomes de Rydberg, est un effet tout ou rien : soit il y a un blocus de Rydberg, soit il n'y en a pas. "Le blocus Rydberg rend les interactions entre les atomes numériques", a déclaré Lukin.

À la fin du calcul, les lasers lisent les états des atomes : si un atome est dans un état de résonance avec l'éclairage, la lumière est diffusée, mais s'il est dans l'autre état, il n'y a pas de diffusion.

En 2004, une équipe de l'Université du Connecticut démontré un blocus Rydberg entre des atomes de rubidium, piégés et refroidis à seulement 100 microkelvins au-dessus du zéro absolu. Ils ont refroidi les atomes en utilisant des lasers pour « aspirer » l'énergie thermique des atomes. Cette approche signifie que, contrairement aux qubits supraconducteurs, les atomes neutres ne nécessitent aucun refroidissement cryogénique ni réfrigérant encombrant. Ces systèmes peuvent donc être rendus très compacts. "L'appareil dans son ensemble est à température ambiante", a déclaré Saffman. "À un centimètre de ces atomes très froids, vous disposez d'une fenêtre de température ambiante."

En 2010, Saffman et ses collègues rapporté la première porte logique — un élément fondamental des ordinateurs, dans lequel un ou plusieurs signaux d'entrée binaires génèrent une sortie binaire particulière — constituée de deux atomes utilisant le blocus de Rydberg. Puis, surtout, en 2016, l'équipe et les groupes de recherche de Lukin en France et en Corée du Sud ont tous indépendamment compris comment charger de nombreux atomes neutres dans des réseaux de pièges optiques et déplacez-les à volonté. «Cette innovation a apporté une nouvelle vie au domaine», a déclaré Stéphane Durr de l'Institut Max Planck d'optique quantique de Garching, en Allemagne, qui utilise les atomes de Rydberg pour des expériences de traitement de l'information quantique basé sur la lumière.

Une grande partie des travaux réalisés jusqu'à présent utilisent des atomes de rubidium et de césium, mais le physicien Jeff Thompson à l'Université de Princeton préfère coder les informations dans les états de spin nucléaire des atomes métalliques tels que le strontium et l'ytterbium, qui ont des temps de cohérence encore plus longs. En octobre dernier, Thompson et ses collègues rapporté portes logiques à deux qubits fabriquées à partir de ces systèmes.

Et les blocages Rydberg ne doivent pas nécessairement se dérouler entre des atomes isolés. L'été dernier, Adams et ses collègues montré qu'ils pouvaient créer un blocus Rydberg entre un atome et une molécule piégée, qu'ils ont créé artificiellement en utilisant une pince optique pour attirer un atome de césium à côté d'un atome de rubidium. L’avantage des systèmes hybrides atome-molécule est que les atomes et les molécules ont des énergies très différentes, ce qui pourrait faciliter la manipulation des uns sans affecter les autres. De plus, les qubits moléculaires peuvent avoir des temps de cohérence très longs. Adams souligne que de tels systèmes hybrides ont au moins 10 ans de retard sur les systèmes entièrement atomiques et que l'intrication de deux de ces qubits n'a pas encore été réalisée. "Les systèmes hybrides sont vraiment difficiles", a déclaré Thompson, "mais nous serons probablement obligés de les mettre en place à un moment donné."

Qubits haute fidélité

Aucun qubit n’est parfait : tous peuvent entraîner des erreurs. Et si ceux-ci ne sont ni détectés ni corrigés, ils brouillent le résultat du calcul.

Mais un obstacle majeur à toute informatique quantique est que les erreurs ne peuvent pas être identifiées et corrigées de la même manière que pour les ordinateurs classiques, où un algorithme se contente de suivre l'état dans lequel se trouvent les bits en effectuant des copies. La clé de l’informatique quantique est que les états des qubits restent indéterminés jusqu’à ce que le résultat final soit lu. Si vous essayez de mesurer ces états avant ce point, vous terminez le calcul. Comment, alors, protéger les qubits contre des erreurs que nous ne pouvons même pas surveiller ?

Une solution consiste à répartir les informations sur plusieurs qubits physiques – constituant un seul « qubit logique » – afin qu'une erreur dans l'un d'entre eux ne corrompt pas les informations qu'ils codent collectivement. Cela ne devient pratique que si le nombre de qubits physiques nécessaires pour chaque qubit logique n'est pas trop grand. Cette surcharge dépend en partie de l’algorithme de correction d’erreurs utilisé.

Des qubits logiques corrigés des erreurs ont été démontrés avec des qubits supraconducteurs et à ions piégés, mais jusqu'à récemment, il n'était pas clair s'ils pouvaient être fabriqués à partir d'atomes neutres. Cela a changé en décembre, lorsque l'équipe de Harvard a dévoilé des réseaux de plusieurs centaines d'atomes de rubidium piégés et a exécuté des algorithmes sur 48 qubits logiques, chacun constitué de sept ou huit atomes physiques. Les chercheurs ont utilisé le système pour effectuer une opération logique simple appelée porte NON contrôlée, dans laquelle les états 1 et 0 d'un qubit sont inversés ou laissés inchangés en fonction de l'état d'un deuxième qubit « de contrôle ». Pour effectuer les calculs, les chercheurs ont déplacé les atomes entre trois régions distinctes dans la chambre de piégeage : un réseau d'atomes, une région d'interaction (ou « zone de porte ») où des atomes spécifiques ont été traînés et empêtrés à l'aide du blocus de Rydberg, et une zone de lecture. . Tout est rendu possible, a déclaré Adams, parce que "le système Rydberg vous offre toute cette capacité de mélanger les qubits et de décider qui interagit avec qui, ce qui vous donne une flexibilité que les qubits supraconducteurs n'ont pas".

L’équipe de Harvard a démontré des techniques de correction d’erreurs pour certains algorithmes simples à qubits logiques, même si pour les plus grands, avec 48 qubits logiques, ils ont simplement réussi à détecter les erreurs. Selon Thompson, ces dernières expériences ont montré qu’« elles peuvent rejeter de préférence les résultats de mesure comportant des erreurs, et donc identifier un sous-ensemble de résultats comportant moins d’erreurs ». Cette approche est appelée post-sélection et, même si elle peut jouer un rôle dans la correction des erreurs quantiques, elle ne résout pas à elle seule le problème.

Les atomes de Rydberg pourraient se prêter à de nouveaux codes de correction d'erreurs. Celui utilisé dans les travaux de Harvard, appelé code de surface, « est très populaire mais également très inefficace », a déclaré Saffman ; il a tendance à nécessiter de nombreux qubits physiques pour créer un qubit logique. D'autres codes de correction d'erreurs proposés, plus efficaces, nécessitent des interactions à plus longue portée entre les qubits, et pas seulement des appariements de voisins les plus proches. Les praticiens de l’informatique quantique à atomes neutres pensent que les interactions Rydberg à longue portée devraient être à la hauteur. "Je suis extrêmement optimiste sur le fait que les expériences menées au cours des deux ou trois prochaines années nous montreront que les frais généraux ne seront pas nécessairement aussi importants qu'on le pensait", a déclaré Lukin.

Même s’il reste encore beaucoup à faire, Steane considère les travaux de Harvard comme « un changement radical dans la mesure dans laquelle les protocoles de correction d’erreurs ont été mis en œuvre en laboratoire ».

Tournage

Des progrès comme ceux-ci permettent aux qubits de l’atome de Rydberg d’égaler ceux de leurs concurrents. "La combinaison de portes haute fidélité, du grand nombre de qubits, de mesures de haute précision et d'une connectivité flexible nous permet de considérer le réseau d'atomes de Rydberg comme un véritable concurrent des qubits supraconducteurs et à ions piégés", a déclaré Steane.

Par rapport aux qubits supraconducteurs, cette technologie ne coûte qu’une fraction du coût d’investissement. Le groupe Harvard possède une société dérivée appelée QuEra, qui a déjà fabriqué un processeur quantique Rydberg de 256 qubits appelé Aquila — un « simulateur quantique » analogique qui peut exécuter des simulations de systèmes de nombreuses particules quantiques — disponible sur le cloud en partenariat avec la plateforme informatique quantique Braket d'Amazon. QuEra travaille également à faire progresser la correction des erreurs quantiques.

Saffman a rejoint une société appelée Inflexion, qui développe la plateforme optique à atomes neutres pour les capteurs et les communications quantiques ainsi que pour l'informatique quantique. "Je ne serais pas surpris si l'une des grandes sociétés informatiques concluait bientôt un partenariat avec l'une de ces spin-offs", a déclaré Adams.

"Réaliser une correction d'erreur évolutive avec des qubits d'atomes neutres est tout à fait possible", a déclaré Thompson. "Je pense que 10,000 XNUMX qubits d'atomes neutres sont clairement possibles d'ici quelques années." Au-delà de cela, il pense que les limitations pratiques de la puissance et de la résolution du laser nécessiteront conceptions modulaires dans lequel plusieurs réseaux d'atomes distincts sont reliés entre eux.

Si cela se produit, qui sait ce qui en résultera ? "Nous ne savons même pas encore ce que nous pouvons faire avec l'informatique quantique", a déclaré Lukin. "J'espère vraiment que ces nouvelles avancées nous aideront à répondre à ces questions."