processeur quantique IBM

Un long chemin peut être parcouru, ou bien on peut le raccourcir en un itinéraire compact sans perdre les points de repère essentiels. En calcul quantique, ce chemin est l'évolution de l'état au cours du temps : elle exige des chaînes d'opérations de plus en plus longues, et sur un processeur réel, elle se noie rapidement dans le bruit.

Dans une pièce silencieuse, sans le moindre aimant, deux électrons piégés dans du silicium ressentent quand même un léger frémissement. Il est créé par les noyaux des atomes de silicium et de germanium, qui tournent de manière chaotique, comme les aiguilles de boussoles cassées.

Un laboratoire quantique ressemble à une cuisine où le cuisinier attend une journée entière que la cuisinière refroidisse. Les qubits supraconducteurs ne fonctionnent qu'à des températures de quelques centièmes de kelvin, et chaque cycle « refroidir – mesurer – réchauffer » engloutit une journée.

Un trou noir est un labyrinthe dont on ne peut pas sortir. Mais que devient l'information à l'intérieur ? Pour le vérifier, les physiciens ne sont pas allés jusqu'au trou le plus proche ; ils en ont construit une minuscule réplique sur un processeur quantique.

Un ordinateur quantique ressemble à un orchestre où chaque instrument est un qubit et le chef d'orchestre est le processeur de contrôle. Le chef doit non seulement donner le tempo, mais aussi changer la partition à temps si un soliste joue de manière inattendue.

Un fluide qui contourne un obstacle génère des tourbillons et des ondes de choc. Décrire leur comportement revient à résoudre une équation non linéaire, où la vitesse de l'écoulement dépend d'elle-même.

Dans le monde des particules quantiques, il y a des « introvertis » : les anyons. Ils ne ressemblent pas aux électrons ou aux protons habituels. Si l'on échange deux de ces « introvertis », ils se souviennent de cette manœuvre, comme s'ils laissaient une trace invisible.

Une tasse de café chaud gèle parfois plus vite que de l'eau froide du robinet. Ce paradoxe, connu sous le nom d'effet Mpemba, a longtemps été considéré comme une curiosité de la physique classique.

Dans une casserole de soupe, chaque grain est un minuscule aimant qui veut s'orienter à l'opposé de son voisin. Chauffez la soupe, et les petits aimants se mettent à s'agiter, obéissant à la chaleur. Mais comment savoir à quel point ils sont turbulents à chaque température ? Pour un matériau ordinaire, on le calcule sur des ordinateurs puissants en énumérant les possibilités.

Si vous portez une tasse de café à travers une pièce, lentement et régulièrement, puis revenez au même endroit, il n'arrivera rien à la boisson. Mais dans le monde quantique, tout est différent : une particule qui effectue un tel aller-retour ne revient pas tout à fait identique.

L'univers primitif ressemblait à un ballon gonflé à toute vitesse : il se dilatait si rapidement que la lumière ne pouvait pas rattraper ses propres bords. Puis cette frénésie a cédé la place à une expansion plus calme. Le ballon a cessé d'être gonflé et a commencé à se dégonfler lentement.

Les rangées de câbles qui s'étirent de la pièce chaude vers le réfrigérateur contenant la puce quantique évoquent un central téléphonique embrouillé du siècle dernier. Chaque qubit exigeait son canal analogique pour un réglage précis, et les câbles apportaient de la chaleur parasite et s'emmêlaient sous les mains.

Un orchestre où chaque musicien joue sa partition, tandis que le chef tente de saisir la mélodie d'ensemble. C'est à peu près ainsi que les physiciens regardent les électrons dans les cuprates — des matériaux céramiques qui conduisent le courant sans résistance à des températures supérieures à celle de l'azote liquide.

Un ordinateur quantique ressemble à un orchestre où chaque musicien doit jouer sa partition à la perfection, sinon la mélodie s'effondre. Autrefois, pour diriger les qubits – ces « musiciens » quantiques – il fallait une salle entière d'équipements, et chaque fil supplémentaire ajoutait du bruit.

Dix-huit minuscules cellules s'alignent en deux rangées sur un morceau de germanium. Chaque cellule est une boîte quantique, un piège pour un électron dont le spin sert de qubit. Auparavant, de tels systèmes ne pouvaient être assemblés qu'en petites quantités, mais ici, c'est tout un réseau qui fonctionne comme un ensemble unique.

Un ordinateur quantique ressemble à un orchestre où chaque musicien joue sa partition, mais si le chef d'orchestre lève trop fort sa baguette, les instruments les plus délicats se désaccordent à cause de la chaleur excessive.

Un glaçon dans le thé fond sans laisser de trace. De même, les systèmes quantiques oublient généralement rapidement leur passé. Mais en présence d'un fort désordre, la localisation à plusieurs corps apparaît – les particules semblent se figer, préservant la mémoire. L'expérience sur le processeur IBM à 144 qubits a duré 5000 cycles.

Un ordinateur quantique, c'est un peu comme un orchestre où chaque qubit est un musicien qui joue sa partition. Mais de temps en temps, un rayon cosmique fait irruption dans la salle, et le violoniste sursaute, perdant le rythme.

Une casserole d'eau sur la cuisinière, c'est juste de l'eau, mais à l'intérieur de chaque molécule, une danse incessante se joue. Les atomes d'hydrogène et d'oxygène frémissent, même au zéro absolu, car tel est le monde quantique. Ces frémissements modifient la quantité de chaleur que l'eau emmagasine et la façon dont elle s'écoule.

À l'intérieur du proton, les quarks s'attirent via les gluons, comme par des ressorts. Lâchez un quark : le ressort se tend et casse, engendrant un nouveau quark.

Un ordinateur quantique ressemble à un orchestre où chaque musicien-qubit doit jouer sa note sans fausser. Mais de temps en temps, un passant — une particule de radiation venue du cosmos — fait irruption dans la salle et fait perdre le rythme aux musiciens.

Les ordinateurs quantiques promettent de résoudre des problèmes inaccessibles aux machines classiques, mais leur cœur — les qubits — exige des températures extrêmement basses, proches du zéro absolu.

Un ordinateur quantique ressemble à un orchestre capricieux : chaque qubit est un musicien qui entend le moindre bruit et se dérègle. Pour jouer une symphonie complexe de calculs, il faut des centaines d'instruments accordés à l'unisson.

Dans chaque cellule, des réactions chimiques se déroulent en permanence, comme dans une minuscule cuisine où des protéines-cuisières préparent les substances nécessaires. Mais voir exactement comment la cuisinière prépare le plat est gêné par la foule d'autres molécules autour.

Deux électrons dans un tube étroit ne veulent pas être proches. Tous deux portent une charge négative et se repoussent, comme deux aimants présentés par leurs pôles identiques. Si le tube est très fin, ils ne peuvent pas s'écarter latéralement – il ne leur reste qu'à s'aligner l'un derrière l'autre.

L'orchestre joue à l'intérieur d'un immense réfrigérateur. Les musiciens sont les qubits, les cellules élémentaires de l'ordinateur quantique. Pour qu'ils jouent en harmonie, il faut le silence : les bruits thermiques couvrent la mélodie.

Le qubit, cœur de l'ordinateur quantique, est comme une bulle de savon : le moindre souffle le fait éclater. Sur Terre, la gravité tire les bulles vers le bas, créant des vibrations, et l'agitation thermique des atomes ajoute des tremblements.

Dans le nouveau processeur Helios, 98 ions de baryum se déplacent sur un circuit fermé dans un piège électromagnétique, comme des chevaux de manège. Cette architecture — un registre en anneau — permet à chaque ion d'échanger directement de l'information quantique avec n'importe quel autre, rendant le système flexible et évolutif.

Dans les fils ordinaires, les électrons se bousculent, perdent de l'énergie, chauffent : c'est la résistance. Dans les supraconducteurs, une partie des électrons se synchronise en paires, comme des danseurs qui tournoient sans se heurter. Mais ces paires se cachent : on ne peut pas les voir directement, seulement les deviner grâce à leur coordination parfaite.

Dans le monde quantique, le bruit détruit généralement le comportement ordonné, comme des secousses aléatoires qui arrêtent un pendule. Mais sur les processeurs quantiques d'IBM, les physiciens ont découvert l'inverse : un bruit structuré peut prolonger et même créer des oscillations rythmiques.

Au cœur d'un supraconducteur, les électrons s'unissent en paires de Cooper et se déplacent sans résistance. Mais si un vortex apparaît dans cet ordre parfait — une minuscule région où la supraconductivité disparaît — des excitations particulières y surgissent : les quasiparticules de Bogolioubov.

Dans un laboratoire obscur, où les puces supraconductrices sont refroidies à des millièmes de kelvin, un qubit tourne sous l'effet d'un champ magnétique. Un qubit ordinaire tourne dans un sens. L'anticubit, son double miroir, tourne dans le sens opposé. Ensemble, ils forment une paire qui ressent le champ deux fois plus intensément que n'importe quelle paire ordinaire.

En 2019, un groupe de théoriciens s'est posé une question simple : que se passerait-il si l'on intégrait dans un ordinateur quantique ordinaire un unique élément irréversible, une porte qui « mange » un peu de probabilité ? La réponse s'est avérée dévastatrice.

Faire évoluer un ordinateur quantique, c'est un peu comme tisser une toile d'araignée avec de la lumière : chaque fil vibre au souffle thermique, menaçant de rompre le motif à peine esquissé.

Un ordinateur quantique ressemble à un orchestre où chaque musicien joue d'un instrument invisible. Au lieu de violons et de cuivres, il y a des qubits, des particules fragiles qu'un rien de chaleur ou de bruit peut faire sortir du rythme.