Le cerveau froid de l'ordinateur quantique express
Un orchestre où chaque musicien joue d'un instrument qui se brise à la moindre chaleur. Le chef d'orchestre, c'est le processeur quantique, et les musiciens, ce sont les qubits, ces fragiles porteurs d'information quantique. Pour qu'ils jouent en harmonie, il faut toute une équipe d'accordeurs qui se tiennent dans la pièce voisine et transmettent les consignes à travers une paroi insonorisée. Dans le monde quantique, cette paroi est un cryostat, un dispositif qui refroidit le processeur à une température proche du zéro absolu (environ -273 °C). À ce froid, même l'air se transforme en croûte solide, et la moindre chaleur parasite peut détruire la délicate symphonie quantique.
Le problème principal, dont parle l'article, ce ne sont pas les qubits eux-mêmes, mais les « accordeurs » : l'électronique classique qui doit envoyer les signaux de commande et lire les résultats. Les puces ordinaires, par un tel froid, soit cessent de fonctionner, soit dégagent trop de chaleur. C'est pourquoi les ingénieurs cherchent des moyens de déplacer une partie de l'électronique de commande directement dans le cryostat, au plus près des qubits. Pour cela, ils développent des puces cryogéniques spéciales, à la fois semi-conductrices et supraconductrices. Les circuits supraconducteurs ne chauffent presque pas, mais ils exigent des températures encore plus basses. Les semi-conducteurs, eux, peuvent fonctionner à des températures un peu plus élevées, mais il est plus difficile de les rendre peu bruyants. C'est un peu comme choisir entre un chef d'orchestre silencieux mais très fragile, et un autre plus rustique mais endurant.
La deuxième voie consiste à laisser l'électronique à l'extérieur, dans une pièce chaude, mais alors les signaux doivent parcourir de longs câbles pour atteindre les qubits. Chaque câble est comme un tuyau dans lequel le son se déforme et s'atténue. Pour que le signal arrive intact, il faut des filtres et des amplificateurs complexes. Mais là aussi, il y a des progrès : les scientifiques expérimentent des interfaces optiques, où le signal est transmis par la lumière dans des fibres optiques, et même des liaisons sans fil à l'intérieur du cryostat. La lumière n'apporte pas de chaleur parasite et ne crée pas de parasites électriques, et des antennes de la taille d'un grain de sable peuvent communiquer directement avec les qubits. Ainsi, le chef d'orchestre transmettrait les notes aux musiciens non pas par la voix, mais avec un pointeur laser, sans troubler le silence de la salle.
Le calcul quantique n'est pas une course à la vitesse, mais une tentative de dompter la matière aux limites du possible. Chaque pas vers des systèmes plus grands exige de l'ingéniosité non seulement de la part des physiciens, mais aussi des ingénieurs en électronique. Et pour l'instant, le point le plus chaud de la révolution quantique reste le plus froid, au sens propre. Revenons à notre orchestre : les musiciens jouent, le chef d'orchestre dirige, et les accordeurs, dans la pièce glaciale, font tout pour que la symphonie ne s'interrompe pas.
La température à l'intérieur du cryostat des processeurs quantiques est si basse que l'hélium utilisé pour le refroidissement devient superfluide : il s'infiltre à travers des fissures microscopiques et remonte le long des parois du récipient.
Dans le roman « Hypérion » de Dan Simmons, le TechnoCentre utilise des ordinateurs quantiques refroidis à des températures si basses que le temps lui-même ralentit, afin de prédire l'avenir.