Les physiciens développent un ordinateur quantique spécial avec 256 qubits

Ce qui constitue un progrès majeur dans l’informatique quantique, une équipe de physiciens du Harvard-MIT Center for Ultracold Atoms et d’autres universités ont créé un type spécial d’ordinateur quantique. Ce système est appelé simulateur quantique programmable, et il peut fonctionner avec 256 bits quantiques, ou « qubits ». Les qubits sont fondamentaux pour le fonctionnement des ordinateurs quantiques, et ils sont la source de leur puissance de traitement.

Cette nouvelle avancée nous rapproche de la réalisation de machines quantiques à grande échelle, qui pourraient être utilisées pour acquérir une compréhension approfondie des processus quantiques complexes. Elles pourraient également avoir des implications majeures dans des domaines tels que la science des matériaux, les technologies de communication, la finance, et divers autres qui sont actuellement confrontés à des barrières dans la recherche.

La recherche a été publiée le 9 juillet dans Nature. 

Impulser le domaine vers l’avant

Mikhail Lukin est le professeur de physique George Vasmer Leverett et co-directeur de l’Harvard Quantum Initiative. Il est également l’un des auteurs principaux de l’étude.

“Cela pousse le domaine dans un nouveau domaine où personne n’est allé jusqu’à présent”, a déclaré Lukin. “Nous entrons dans une partie complètement nouvelle du monde quantique.”

Sepehr Ebadi est un étudiant en physique à la Graduate School of Arts and Sciences et l’auteur principal de l’étude.

Selon Ebadi, les caractéristiques les plus importantes du système sont sa taille et sa programmabilité, ce qui en fait l’un des meilleurs systèmes disponibles. Il peut exploiter les propriétés de la matière à des échelles extrêmement petites, ce qui lui permet d’améliorer la puissance de traitement. Une augmentation du nombre de qubits peut aider le système à stocker et à traiter exponentiellement plus d’informations que les bits classiques, sur lesquels reposent les ordinateurs standard.

“Le nombre d’états quantiques possibles avec seulement 256 qubits dépasse le nombre d’atomes dans le système solaire”, a déclaré Ebadi.

Le simulateur a permis aux chercheurs d’observer des états quantiques exotiques de la matière, ainsi que de réaliser une étude de transition de phase quantique, qui était extrêmement précise et a démontré comment le magnétisme fonctionne au niveau quantique.

Selon les chercheurs, ces expériences pourraient aider les scientifiques à apprendre à concevoir de nouveaux matériaux avec des propriétés exotiques.

Le nouveau système

Le projet repose sur une plate-forme développée en 2017 par les chercheurs, mais elle a été considérablement améliorée cette fois-ci. Elle était capable d’atteindre une taille de 51 qubits par le passé, et elle a permis aux chercheurs de capturer des atomes de rubidium ultra-froids et de les disposer dans un ordre spécifique à l’aide d’un réseau unidimensionnel de faisceaux laser individuellement focalisés. 

Ce système permet aux atomes d’être assemblés en réseaux bidimensionnels de pinces optiques, qui est le nom des faisceaux laser. Cela permet d’augmenter la taille du système de 51 à 256 qubits. Les chercheurs peuvent ensuite utiliser les pinces pour disposer les atomes en motifs sans défauts et créer des formes programmables, ce qui permet des interactions différentes entre les qubits.

“Le cheval de bataille de cette nouvelle plate-forme est un dispositif appelé modulateur de lumière spatiale, qui est utilisé pour façonner un front d’onde optique pour produire des centaines de faisceaux de pinces optiques individuellement focalisés”, a déclaré Ebadi. “Ces dispositifs sont essentiellement les mêmes que ceux utilisés à l’intérieur d’un projecteur d’ordinateur pour afficher des images sur un écran, mais nous les avons adaptés pour être un composant essentiel de notre simulateur quantique.”

Les atomes sont d’abord chargés dans les pinces optiques de manière aléatoire avant que les chercheurs ne déplacent les atomes et ne les disposent dans des géométries ciblées. Un second ensemble de pinces optiques mobiles est ensuite utilisé pour tirer les atomes vers leurs emplacements souhaités, ce qui élimine l’aléatoire initial. Les lasers permettent aux chercheurs de contrôler entièrement la position des qubits atomiques et leur manipulation quantique cohérente.

Tout Wang est un associé de recherche en physique à Harvard et l’un des auteurs de l’article.

“Notre travail fait partie d’une course vraiment intense et très visible au niveau mondial pour construire des ordinateurs quantiques plus grands et meilleurs”, a déclaré Wang. “L’effort global [au-delà du nôtre] implique des institutions de recherche universitaires de premier plan et un investissement important du secteur privé de la part de Google, IBM, Amazon, et de nombreux autres.”

L’équipe travaille maintenant à améliorer le système en améliorant le contrôle des lasers sur les qubits, ainsi qu’en rendant le système plus programmable. Selon les chercheurs, les applications possibles incluent la recherche de formes exotiques de matière quantique et la résolution de problèmes du monde réel qui peuvent être naturellement encodés sur les qubits.

“Ce travail permet un nombre considérable de nouvelles directions scientifiques”, a déclaré Ebadi. “Nous sommes loin des limites de ce qui peut être fait avec ces systèmes.”