Exploiter les bits quantiques

L’exploit n’est peut-être pas à la hauteur de la transmission par Samuel Morse de What hath God Wrought de Washington, DC à Baltimore en 1844 ou de la voix d’Alexander Graham Bell, Watson, come here. Je vous veux d'une pièce à l'autre en 1876. Néanmoins, les scientifiques pourraient éventuellement marquer comme une étape importante le jour de 2001 où Isaac Chuang et ses collègues d'IBM ont déterminé que les deux facteurs premiers du nombre 15 sont trois et cinq.

Ce qui a rendu leur calcul remarquable, bien sûr, n'était pas l'arithmétique du lycée, mais le fait que le calcul avait été effectué par sept noyaux atomiques dans une molécule de fluorocarbone conçue sur mesure. L'ironie selon laquelle une expérience si complexe et délicate donnerait un résultat si banal et banal n'est pas perdue pour Chuang, l'un des chercheurs les plus éminents au monde en informatique quantique. Mon groupe, dit-il avec un petit rire, détient le record du monde de l'ordinateur quantique le plus grand et le plus inutile.

Cette histoire faisait partie de notre numéro de mars 2003

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Mais Chuang, maintenant professeur agrégé au MIT Media Lab, pourrait faire preuve d'un excès d'humilité. Les ordinateurs quantiques n'existent aujourd'hui qu'à une échelle douloureusement petite. Mais malgré un démarrage lent, le domaine semble être sur le point de produire de réels progrès en théorie et en ingénierie quantiques. Les chercheurs ont proposé les premiers modèles d'ordinateurs quantiques à grande échelle, des appareils qui utilisent les propriétés étranges des particules subatomiques existant aux extrêmes de petite taille et de grande vitesse pour résoudre des problèmes qui confondent même les appareils informatiques conventionnels les plus puissants.

Une approche d'ingénierie très prometteuse utilise une classe de dispositifs capables de piéger des électrons individuels dans un champ électromagnétique. Leur spin, ou orientation dans un champ magnétique, peut être observé pour produire un bit quantique, ou qubit. Une autre approche prometteuse utilise la résonance magnétique nucléaire, qui peut manipuler des collections ou des ensembles de molécules pour effectuer des calculs et renvoyer les résultats sous une forme mesurable. C'est la technique que Chuang et Neil Gershenfeld, un autre professeur du MIT Media Lab, explorent. Les gens proposent tous ces outils qui faciliteront la fabrication d'un ordinateur quantique, explique Jonathan Dowling, scientifique principal et superviseur du groupe des technologies de l'informatique quantique au Jet Propulsion Laboratory de la NASA à Pasadena, en Californie.

Cette recherche commence également à indiquer des retombées à court terme, notamment des améliorations des commandes électroniques pour les appareils de navigation, de communication et de mesure. L'une des choses que je fais est de réfléchir à des moyens d'utiliser l'informatique quantique pour créer de meilleurs gadgets, explique Dowling. Parmi ses projets figure un gyroscope quantique qui exploiterait le comportement quantique des photons pour rendre ces appareils de navigation essentiels plus sensibles. L'excitation s'est même étendue à la communauté de l'intelligence artificielle : il y a des signes que la capacité des algorithmes quantiques à sonder plusieurs possibilités simultanément pourrait aider à l'exploration de bases de données à grande échelle, l'un des objectifs pratiques les plus importants du domaine. Si les systèmes de positionnement géographique, les téléphones portables, les moteurs de recherche et les circuits intégrés du futur sont beaucoup plus précis ou fiables qu'aujourd'hui, cela peut être le résultat des efforts pionniers en informatique quantique en cours dans les laboratoires du monde entier.

L'industrie électronique, naturellement, a pris note. IBM parraine la recherche en informatique quantique dans son centre de recherche d'Almaden à la périphérie de la Silicon Valley, où Chuang a effectué ses premiers travaux, ainsi que dans son centre de recherche phare Thomas J. Watson à Yorktown Heights, NY. Hewlett-Packard soutient la recherche en informatique quantique dans ses laboratoires de Palo Alto, en Californie, et de Bristol, en Angleterre. Et l'industrie des semi-conducteurs, qui a atteint sa maturité avec les progrès de l'électronique de l'informatique classique, garde un œil attentif sur les développements dans le domaine, afin de mieux se préparer à l'ère post-loi de Moore, lorsque la miniaturisation des circuits électroniques classiques se heurte aux limites physiques. Les experts prédisent que cela se produira au cours des deux prochaines décennies.

Les progrès ont été lents, mais constants, déclare David P. DiVincenzo du laboratoire Watson d'IBM. Il y a deux ou trois ans, des efforts importants ont été lancés et commencent à porter leurs fruits.

Réalités multiples

Quelle que soit l'approche technologique, l'objectif de l'informatique quantique est de tirer parti de la qualité même de la mécanique quantique que les concepteurs d'ordinateurs classiques tentent farouchement d'éviter : sa pure étrangeté.

Les circuits logiques des ordinateurs traditionnels, par exemple, fonctionnent en détectant des différences discrètes de tension traversant les portes électroniques : une haute tension indique un un binaire et une basse tension indique un zéro. L'information binaire peut aussi être représentée par le spin d'un électron ou la polarité d'un photon. Mais parce que ces particules existent dans le domaine quantique, qui est marqué par des distances infiniment courtes, des vitesses proches de la vitesse de la lumière et des niveaux d'énergie extrêmement faibles, leurs états ne peuvent pas toujours être discernés comme strictement un ou zéro. Les électrons et les photons peuvent se comporter comme des ondes plutôt que des particules, semblent occuper plus d'un endroit à la fois et présentent simultanément des états incompatibles : le spin d'un électron, par exemple, peut être à la fois ascendant et descendant, une condition que la mécanique quantique appelle superposition. En termes informatiques, le qubit peut être un et zéro simultanément.

Le deuxième phénomène important pour l'informatique quantique est l'intrication, dans laquelle deux particules ou plus sont créées avec des propriétés mutuellement dépendantes : lorsque, par exemple, un seul photon est transformé en deux particules complémentaires par un séparateur de faisceau optique. La mesure des propriétés d'une particule détermine instantanément l'état de l'autre, même si au moment de la mesure les deux sont séparées l'une de l'autre par des distances galactiques. (Einstein a ridiculisé ce phénomène comme une action effrayante à distance.)

On a longtemps cru que ces phénomènes pouvaient être utilisés pour résoudre des problèmes de calcul au-delà de la portée de la technologie traditionnelle. Un seul bit quantique qui peut être dans deux états à la fois peut faire le travail de deux bits classiques fonctionnant en parallèle. (Ce n'est que lorsque la particule est mesurée ou observée que toutes les possibilités se résolvent en une seule réalité classique.) Deux qubits intriqués, quant à eux, peuvent évaluer simultanément quatre entrées. En d'autres termes, un registre de mémoire traditionnel à huit bits ne peut stocker qu'un seul des 28 ou 256 mots numériques possibles, mais un registre quantique à huit qubits peut représenter et calculer les 256 mots à la fois.

Ces notions générales ont été formulées par Richard Feynman, entre autres, dès les années 1980. Pendant des années, cependant, personne n'avait une idée claire de la façon dont ils pourraient être appliqués à de vrais problèmes. En 1994, le mathématicien Peter W. Shor d'AT&T Bell Labs a décrit un algorithme, ou programme, qui prouvait qu'un ordinateur quantique pouvait factoriser de grands nombres de manière exponentielle plus rapidement que n'importe quelle méthode conventionnelle connue.

La découverte de Shor était importante car l'affacturage est exactement le genre de problème qui submerge les ordinateurs conventionnels : à mesure qu'un nombre augmente, les ressources nécessaires pour l'affacturer augmentent rapidement. Factoriser le nombre six est trivial, mais les experts estiment qu'il faudrait à tous les superordinateurs du monde plus de temps que l'âge de l'univers connu pour trouver les facteurs d'un nombre à 300 chiffres.

De plus, la factorisation est un problème mathématique avec des applications du monde réel. L'intransigeance même de l'affacturage des grands nombres est au cœur de la cryptographie moderne, qui s'appuie sur elle pour créer des clés incassables. L'algorithme de Shor représentait à la fois un poignard au cœur des codes incassables à l'ancienne et un panneau indiquant une nouvelle classe de codes vraiment incassables. En effet, de nombreux experts en informatique quantique prédisent que la cryptographie quantique sera la première application commerciale à émerger de la science naissante, et déjà au moins trois sociétés ont été formées pour commercialiser des systèmes de communication sécurisés basés sur l'affacturage quantique ( voir Cryptographie quantique , TR février 2003 ).

Au-delà des codes sécurisés

dans le même temps, les travaux de shor ont suscité un regain d'intérêt pour d'autres applications possibles de l'informatique quantique. Après le premier résultat de Shor, déclare l'informaticien Wim van Dam de HP Labs, tout le monde était très optimiste quant au fait que nous trouverions de nombreux algorithmes pour lesquels l'informatique quantique serait utile. Mais pendant la majeure partie des années 1990, ces applications meurtrières sont restées insaisissables. Pendant un certain temps, les scientifiques ont craint que le problème de factorisation ne soit le seul gain de l'informatique quantique.

Au cours des deux dernières années, cependant, une meilleure compréhension du fonctionnement des qubits a stimulé une nouvelle recherche de problèmes que les qubits sont particulièrement bien adaptés pour résoudre. Edward Farhi du Center for Theoretical Physics du MIT fait partie de ceux qui ont entrepris ce travail. Le centre de notre intérêt, dit Farhi, est que si vous aviez un ordinateur quantique parfaitement fonctionnel, qu'en feriez-vous ?

Farhi et ses collègues ont identifié une gamme de calculs généraux, bien qu'abstraits, que les ordinateurs quantiques peuvent effectuer beaucoup plus rapidement que les ordinateurs classiques. L'un est un problème de navigation dans lequel un voyageur sans carte ni guide se déplace du point de départ à la destination via des chemins aléatoires qui partent d'un nombre donné de stations de passage. Sans surprise, l'équipe de Farhi a montré que dans de telles conditions, le temps qu'un ordinateur classique met pour trouver un chemin à partir d'un point À pointer B augmente de façon exponentielle à mesure que le nombre de points de branchement entre À et B augmente. En revanche, un ordinateur quantique parcourrait tous les chemins possibles à la fois, trouvant de manière fiable son chemin à travers le labyrinthe dans un laps de temps qui ne s'étendrait qu'arithmétiquement avec la complexité du labyrinthe.

Je suis plutôt content de cette chose même si c'est un peu artificiel, dit Farhi. Ce qui distingue le problème de Farhi du fameux problème du voyageur de commerce et autres énigmes logistiques, c'est que le voyageur n'a pas de carte et donc une connaissance limitée du chemin. Mais dans le monde réel, un voyageur est susceptible d'avoir une carte montrant tous les chemins possibles, et le défi est de trouver l'itinéraire le plus efficace. Tout ce qu'un ordinateur quantique fait, c'est parcourir tous les chemins à la fois pour arriver rapidement à destination, mais il ne produira pas un itinéraire particulier. Il n'est donc pas encore clair si le travail de Farhi pointe ou non vers une application pratique. C'est un tremplin vers un meilleur exemple, dit Farhi, espérons-le. Je suppose que vous pourriez dire que nous recherchons un exemple du monde réel.

Une utilisation plus probable de l'informatique quantique peut être dans les recherches dans les bases de données. En 1996, Lov Grover, chercheur en sciences physiques aux Bell Labs de Lucent Technologies, a développé un algorithme qui montrait comment l'informatique quantique pouvait considérablement accélérer les recherches : essaie de trouver un seul numéro de téléphone spécifié. Un ordinateur quantique n'aurait besoin que de mille essais.

Le fait est, dit Farhi, que l'accélération quantique n'est pas universelle. Trouver des problèmes pour lesquels c'est avantageux est donc un art.

Trappeurs Qubit

Tandis que Farhi et ses collègues déterminent ce qui peut être fait avec un ordinateur quantique, d'autres travaillent dur pour concevoir le matériel lui-même.

DiVincenzo d'IBM dit qu'un ordinateur quantique pratique doit avoir cinq capacités fondamentales : il doit fournir des qubits-particules ou des groupes de particules qui peuvent être isolés et placés en superposition, l'état indéterminé dans lequel ils représentent à la fois des uns et des zéros. Il doit être possible pour les opérateurs de contrôler les états initiaux des qubits, de manière analogue à les mettre tous à zéro au début d'un calcul. Les qubits doivent rester stables en superposition assez longtemps pour effectuer une opération allant de quelques millisecondes à plusieurs secondes. Il doit être possible de mettre en œuvre des circuits logiques quantiques qui correspondent à des opérateurs booléens tels que et , ou , et ne pas , qui constituent la base de l'architecture informatique traditionnelle. Dans les ordinateurs classiques, ces expressions sont incorporées dans des circuits électriques. La porte logique la plus simple, la porte non, convertit un un numérique entrant en un zéro, et vice versa. Pour manipuler les qubits, les circuits quantiques devront employer des techniques telles qu'un contrôle extrêmement précis des champs magnétiques ou des impulsions laser.

La dernière exigence d'un ordinateur quantique est qu'il rende les résultats d'un calcul accessibles à l'utilisateur, par le biais, par exemple, d'une lecture visuelle.

La plupart des expériences d'informatique quantique se résument à des efforts qui répondent à une ou plusieurs des exigences de DiVincenzo. Il y a probablement une demi-douzaine de propositions sérieuses et 10 fois ce nombre qui ne sont pas sérieuses, explique Bruce Kane, qui se spécialise dans la science des dispositifs à électron unique à l'Université du Maryland.

Chuang et Gershenfeld, par exemple, ont utilisé la résonance magnétique nucléaire pour mesurer le spin des qubits dans des matériaux en vrac - une fiole contenant un milliard de milliards de molécules fabriquées sur mesure à partir de fluor, de carbone, de fer, d'hydrogène et d'oxygène. Les spins des noyaux des cinq atomes de fluor et des deux atomes de carbone de chaque molécule fonctionnaient comme des qubits interactifs pour exécuter l'algorithme de Shor. Bien que les réalisations de Chuang et Gershenfeld dans le contrôle et la mesure des spins de sept qubits aient été largement saluées, de nombreux acteurs sur le terrain pensent que la mise à l'échelle de cette approche sera extrêmement difficile. La limitation est que chaque fois que vous ajoutez des qubits, le rapport signal/bruit diminue, explique Kane, se référant à la quantité d'informations utiles - telles que l'excès de particules avec un spin par rapport aux particules avec un spin différent - qui peuvent être distinguées de l'aléatoire. perturbations dans le matériau fluorocarboné en vrac.

Chuang lui-même reconnaît que son ordinateur quantique à sept bits est bien en deçà de l'échelle nécessaire pour des calculs significatifs. Pour le rendre pratique, nous devrons atteindre des milliers, voire des centaines de milliers de qubits, dit-il. Une approche concurrente qui utilise des techniques d'ingénierie à l'échelle nanométrique pour construire des conteneurs de qubits, ajoute-t-il, peut être plus facile à étendre.

David J. Wineland et son équipe étudient cette alternative à la Division du temps et de la fréquence de l'Institut national américain des normes et de la technologie à Boulder, CO. Ils construisent des dispositifs miniatures utilisant des électrodes qui isolent les ions dans des pièges fabriqués à partir de champs électriques. La vertu de cette approche, dit Wineland, est que les pièges à ions sont relativement faciles à fabriquer, peuvent être reliés entre eux et peuvent contenir plus d'un ion par piège. Wineland suggère qu'une chaîne d'ions confinée dans un seul piège pourrait fonctionner comme une sorte de mémoire quantique, et chaque qubit supplémentaire augmenterait la capacité de stockage de manière exponentielle. Déjà, le groupe de Wineland a cajolé de tels qubits pour qu'ils restent dans un état de superposition jusqu'à 10 minutes. Mais une faiblesse actuelle de ce schéma est qu'il est difficile de transférer des informations quantiques entre des ions contenus dans des pièges séparés, une nécessité pour les calculs à grande échelle.

Retombées quantiques

créer des qubits qui interagissent et restent en superposition assez longtemps pour se rendre utiles préoccupera les chercheurs en informatique quantique pour les années à venir. Pourtant, des avantages pratiques émergent à mesure que les scientifiques exploitent les phénomènes derrière l'informatique quantique dans des domaines connexes.

Au NIST, dont la mission institutionnelle comprend l'établissement de normes pour la mesure du temps, l'intérêt de Wineland pour le calcul quantique est même antérieur à l'algorithme de Shor. Nous commencions à réfléchir à des moyens d'utiliser l'intrication quantique pour améliorer le rapport signal/bruit dans les horloges atomiques, explique-t-il. Nous savions qu'il existait un état d'intrication quantique qui pourrait améliorer l'horloge, et les idées du calcul quantique ont montré comment le faire. En gros, les horloges atomiques d'aujourd'hui fonctionnent en prenant la moyenne des lectures simultanées des champs magnétiques oscillants de plus d'un million d'atomes de césium ; l'intrication quantique pourrait réduire le temps nécessaire pour calculer cette moyenne et améliorer la précision en permettant à de nombreuses lectures d'être prises simultanément.

Dowling du Jet Propulsion Laboratory ajoute que l'intrication quantique peut fournir un meilleur moyen de synchroniser les horloges terrestres avec celles de l'espace. À l'heure actuelle, la synchronisation sol-espace, qui s'effectue le plus souvent par radio, est perturbée, quoique minutieusement, par la réfraction atmosphérique et d'autres effets. Parce que les photons intriqués sont liés au niveau quantique, ils sont immunisés contre ces perturbations physiques. Ce serait vraiment un gros problème d'éliminer ces [effets], dit Dowling. Il propose d'envoyer des particules intriquées sur les sites à synchroniser. La mesure d'une particule mettrait instantanément l'autre en marche, dit Dowling. Après avoir calibré leurs horloges sur les particules de tic-tac, les opérateurs sauraient que les horloges étaient en accord.

De peur que quiconque pense que les raffinements à l'échelle quantique de la mesure du temps n'ont qu'un intérêt académique, il convient de noter que le chronométrage atomique est la base des systèmes de positionnement géographique, des technologies de localisation par satellite et des réseaux de communication mobile, qui sont synchronisés par seconde. L'histoire a toujours montré que chaque fois qu'il y a une meilleure horloge, elle est utilisée, dit Wineland. Il y a fort à parier que la tendance va se poursuivre.

Les scientifiques de l'industrie, quant à eux, cherchent des moyens d'amorcer l'informatique quantique en la reliant aux technologies conventionnelles dans lesquelles ils ont plus d'expérience. L'année dernière, Hewlett-Packard a forgé une alliance de travail de 2,5 millions de dollars avec Gershenfeld et Chuang pour, comme le dit Philip Kuekes, scientifique senior de HP Labs, combiner nos expertises respectives. HP est intrigué, par exemple, par la possibilité de transmettre des bits quantiques via des lignes de fibre optique ordinaires, dont des milliers de kilomètres sont installés mais sous-utilisés dans tout le pays. C'est en fait assez intéressant, dit Kuekes. La transmission à longue distance de l'information quantique, renforcée par les caractéristiques de l'intrication quantique, permettrait aux correspondants de partager des clés de code sans craindre qu'elles ne soient compromises. Cela signifie, ajoute-t-il, que l'une des choses qui pourraient arriver assez tôt est la cryptographie quantique.

Bien que, comme la recherche l'a montré, les qubits puissent être transmis sur des lignes à fibre optique, les transmissions ne fonctionnent pas plus de dizaines de kilomètres à la fois. L'envoi de qubits à travers les continents ou les océans, selon Kuekes, nécessiterait un système de commutateurs et de répéteurs quantiques analogue aux versions à semi-conducteurs qui aident à déplacer les données sur Internet. Ceux-ci reviendraient à de simples ordinateurs quantiques équipés d'un logiciel de correction d'erreurs qui pourraient compenser l'inévitable perte de superposition parmi de nombreux qubits itinérants. Le développement de ce logiciel est l'un des principaux axes de recherche de HP Labs.

Dans un exemple scientifique de l'enfant étant le père de l'homme, la recherche appliquée a rejeté certains avantages auxiliaires, même dans la science mère de la mécanique quantique. Il s'avère que les outils nécessaires pour perfectionner l'informatique quantique aident également à démontrer le comportement des particules que les physiciens, jusqu'à présent, n'avaient posé qu'en théorie.

Il y a un beau retour dans l'autre sens, dit John Preskill, professeur de physique théorique à Caltech. L'intérêt pour l'informatique quantique a inspiré beaucoup de sciences intéressantes. Nous sommes loin d'un programme accéléré en ingénierie, mais nous entrons dans une nouvelle ère de la physique de la matière condensée.

C'est en grande partie le résultat de l'exigence de l'informatique quantique selon laquelle les qubits doivent être contrôlés et mesurés avec une précision sans précédent. La tradition en physique de la matière condensée a été de faire des expériences sur des ensembles, c'est-à-dire d'énormes quantités d'atomes dont le comportement quantique peut être identifié statistiquement, explique Preskill. Vous ne mesurez généralement pas le comportement d'électrons isolés.

En particulier, les expériences de Wineland au NIST, dit Preskill, ont donné aux physiciens une fenêtre sans précédent sur le comportement des particules individuelles. La décomposition des qubits en uns ou en zéros classiques, par exemple, est un phénomène que, dans le passé, les scientifiques ne pouvaient déduire qu'en observant des nuages ​​entiers d'électrons ou de photons. Le signal moyen des nuages ​​indiquerait si certaines particules ont changé d'état quantique, mais vous ne verriez pas vraiment le comportement des particules individuelles, dit Preskill. C'est vraiment un nouveau type d'expérience.

Preskill, comme d'autres dans le domaine, prévient que de nombreuses questions doivent être résolues et des problèmes critiques résolus avant que l'informatique quantique puisse aller au-delà de ses applications élémentaires actuelles. Je ne peux pas dire si ce domaine aura toujours l'air aussi excitant dans 10 ans, admet-il. Mais pour l'instant, le domaine semble frais et nouveau. Encore une fois.

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