ordinateur quantique évolutif

Un bibliothécaire dans une réserve de livres rares prend un volume sur l'étagère et le remet en place sans réveiller le chat assoupi à côté. C'est à peu près ainsi que fonctionne la nouvelle mémoire quantique : elle capture un photon, le cache dans une vibration mécanique d'un minuscule pont de silicium, et le restitue à la demande.

Dans une salle bruyante, un interprète essaie de saisir chaque mot, mais les froissements et les échos brouillent le sens. C'est à peu près ainsi que les méthodes informatiques classiques calculent les systèmes quantiques complexes : plus il y a de particules et plus leurs interactions sont fortes, plus les calculs se noient rapidement dans le bruit.

Les données sur internet voyagent à la vitesse de la lumière dans la fibre optique. Dans les réseaux classiques, les délais ne sont pas critiques, mais pour la communication quantique, une synchronisation parfaite est nécessaire : les particules de lumière avec l'information codée doivent arriver sur…

Régler un processeur quantique est un travail monotone : il faut calibrer chaque qubit — la cellule quantique — comme un horloger règle des dizaines de rouages. L'humain se fatigue et commet des erreurs.

Un piège invisible fait de lumière laser a retenu 11 000 atomes, un nombre record pour l'ingénierie quantique. Auparavant, les physiciens ne manipulaient que des dizaines de ces particules ; désormais, on compte par milliers.

Un transistor à effet de champ ordinaire ressemble à un robinet avec une poignée très sensible : on tourne un peu, et l'eau coule. Dans les entrailles froides d'un ordinateur quantique, où tout est refroidi presque au zéro absolu, un tel robinet doit s'ouvrir strictement sur commande.

Imaginez une bibliothèque où, au lieu de livres, se trouvent toutes les combinaisons imaginables de quelques dizaines de particules quantiques. Le nombre de ces combinaisons croît comme une boule de neige : ajoutez une particule — et le volume double. Pour une cinquantaine de particules, il y a plus d'étagères que d'atomes dans l'Univers visible.

Deux dés tombent toujours du même côté, où qu'on les lance. En physique quantique, ce comportement est appelé intrication, et c'est la ressource clé pour les ordinateurs du futur et les communications sécurisées. Mais le problème, c'est que toute intrication n'est pas facile à repérer.

Le bit quantique (qubit) est une construction des plus délicates. La moindre chaleur le détruit, comme une poussée accidentelle renverse un verre en cristal. Pour protéger cette information fragile, des physiciens ont créé une structure quantique tridimensionnelle qui évoque une poupée russe.

Un pêcheur jette son filet dans une eau calme. Plus la corde est longue, plus il sent faiblement la moindre touche — l'onde s'atténue en chemin. Mais que se passerait-il si le signal, au lieu de s'éteindre, s'amplifiait ? C'est à peu près ce tour de force que décrivent les auteurs d'un travail sur un ensemble de particules placées dans un champ présentant un « échelonné » particulier de force.

Un processeur quantique ressemble à un carrefour animé : plus il y a de voitures, plus il est difficile de se croiser sans accident. Dans le monde quantique, le rôle des voitures est joué par les qubits — les porteurs élémentaires d'information qui, contrairement aux bits classiques, peuvent être à la fois 0 et 1.

Un ordinateur quantique ressemble à un orchestre où chaque musicien doit entrer au bon moment. Avant, pour jouer une partition complexe, il fallait constamment déplacer les instruments — c'était long et bruyant. Le nouveau schéma, appelé « architecture de parité », laisse tout le monde à sa place, et le chef se contente de changer les notes.

La grande énigme de la physique est de concilier la courbure de l'espace-temps avec la mécanique quantique. À la longueur de Planck, des milliards de milliards de fois plus petite qu'un atome, les lois cessent de fonctionner. Cette frontière a été ouverte par Max Planck.

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.

Au lieu de millions de particules figées, 10 000 atomes qui fonctionnent comme les boules d'un boulier quantique. Chaque boule peut être à la fois un zéro et un un. Mais surtout, si une erreur se glisse dans le calcul, on peut physiquement déplacer les atomes : comme si on réassemblait le boulier en marche pour que le bug ne gâche pas le résultat.

Le minage de bitcoins ressemble à une loterie : les mineurs épluchent des milliards de nombres pour en trouver un qui soit gagnant. Un ordinateur classique le fait à l'aveugle, en dépensant de l'électricité.

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.

L'ordinateur quantique IBM Heron R3 a réussi là où la méthode classique a échoué. Il s'agit de trouver l'état fondamental – le niveau d'énergie le plus bas – d'un système de 49 bits quantiques. La méthode classique SCI (interaction de configurations sélectionnée) énumère les possibilités, mais sur ce problème, elle n'a pas trouvé la bonne réponse.

La lumière, en traversant une lentille, se courbe légèrement. Pour un ordinateur optique, c'est comme un miroir déformant pour un peintre : l'image est là, mais les détails flottent. La machine d'Ising à base de rayons lumineux résout des problèmes comme la répartition des bagages ou l'itinéraire d'un livreur.

La lumière parcourt un labyrinthe de miroirs et de séparateurs de faisceaux, mais au bout du chemin, elle ne se contente pas de scintiller sur un détecteur : elle se modifie elle-même.

Les qubits d'un ordinateur quantique ressemblent à des musiciens dans un orchestre : chacun doit entendre les autres, sinon la musique s'effondre.

Sur une plaquette de silicium, semblable à un quartier de ville, les qubits — des électrons avec leur spin — vivent dans des « maisons » séparées. Autrefois, les voisins ne communiquaient que par-dessus la clôture, mais désormais une route a été tracée entre eux : le qubit peut se déplacer jusqu'à l'une des quatre stations.

Dans un laboratoire silencieux, sur une table, se trouve un appareil de la taille d'un micro-ondes. À l'intérieur, une bobine glisse doucement de haut en bas tandis qu'un ordinateur enregistre les signaux électriques. Voilà à quoi ressemble la version de table de la balance de Kibble, un dispositif qui relie la masse aux constantes quantiques.

Un ordinateur quantique ressemble à un orchestre où chaque musicien joue sa partition. Tant que les instruments sont peu nombreux, le chef peut diriger chacun séparément. Mais quand les musiciens se comptent par milliers, les commandes individuelles deviennent ingérables.

Les dispositifs quantiques sont généralement conservés dans des cryostats, de grands thermos où la température est plus basse que dans l'espace interstellaire. Un ion d'erbium piégé dans une minuscule cavité sur une puce en silicium brise cette tradition.

Créer de la lumière avec un nombre exact de photons, c'est un peu comme frapper exactement 100 000 pièces sans aucun défaut. Jusqu'ici, les physiciens ne pouvaient contrôler que des dizaines de particules.

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.

Un énorme réfrigérateur de la taille d'une armoire normande bourdonne, maintenant à l'intérieur une température plus basse que dans l'espace interstellaire. En son cœur repose une puce de silicium avec de minuscules boucles supraconductrices – les qubits.

Deux qubits supraconducteurs sur une même puce sonnent aussi juste que des solistes dans un orchestre. Chacun est un transmon, un qubit moins sensible au bruit de charge. Ils sont reliés par un coupleur accordable, un élément auxiliaire qui ajuste la force de l'interaction entre eux.

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.

Un processeur quantique supraconducteur, c'est comme une métropole microscopique enfermée dans un réfrigérateur cryogénique : des rues de lignes supraconductrices, des quartiers de qubits.

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.

Un processeur quantique seul, c'est comme un musicien solitaire. Il peut jouer une mélodie simple, mais pour une symphonie, il faut un orchestre. Pour résoudre des problèmes exigeant d'immenses calculs, il faut relier les processeurs en réseau.

Un supercalculateur qui simule le comportement d'un plasma créé par laser ressemble à une cuisine où des centaines de cuisiniers préparent un même plat. Si dix personnes s'entassent devant une cuisinière et qu'aucune ne se tient devant une autre, le travail s'arrête.

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.