La clé pour des ordinateurs quantiques plus puissants pourrait être de les construire comme des Legos

Modules en aluminium de Quantum Circuits. Avec l'aimable autorisation de Quantum Circuits

Visitez n'importe quelle startup ou laboratoire universitaire où des ordinateurs quantiques sont en cours de construction, et c'est comme entrer dans une distorsion temporelle vers les années 1960 - l'apogée de l'informatique mainframe, lorsque de petites armées de techniciens s'occupaient de machines qui pouvaient remplir des pièces entières.

Toutes sortes d'équipements, des lasers ultra-précis aux réfrigérateurs surfondus, sont nécessaires pour exploiter les forces exotiques de la mécanique quantique pour la tâche de traitement des données. Les câbles reliant divers éléments d'équipement forment des spaghettis multicolores qui se répandent sur les sols et traversent les plafonds. Les physiciens et les ingénieurs grouillent autour des bancs d'écrans, surveillant et ajustant constamment les performances des ordinateurs.

Les ordinateurs centraux ont inauguré la révolution de l'information, et l'espoir est que les ordinateurs quantiques changeront également la donne. Leur immense puissance de traitement promet de surpasser celle des supercalculateurs conventionnels, même les plus performants, offrant potentiellement des avancées dans tous les domaines, de la découverte de médicaments à la science des matériaux et à l'intelligence artificielle .

Le grand défi auquel est confrontée l'industrie naissante est de créer des machines qui peuvent être mises à l'échelle de manière fiable et relativement peu coûteuse. Il est difficile de générer et de gérer les bits quantiques, ou qubits, qui transportent les informations dans les ordinateurs. Même les plus infimes vibrations ou changements de température - phénomènes connus sous le nom de bruit dans le jargon quantique - peuvent faire perdre aux qubits leur état quantique fragile. Et lorsque cela se produit, des erreurs se glissent dans les calculs.

La réponse la plus courante a été de créer des ordinateurs quantiques avec autant de qubits que possible sur une seule puce. Si certains qubits échouent, d'autres détenant des copies des informations peuvent être appelés comme sauvegardes par des algorithmes développés pour détecter et minimiser les erreurs. La stratégie, qui a été défendue par de grandes entreprises telles qu'IBM et Google, ainsi que par des startups de premier plan comme Rigetti Computing, a engendré des machines complexes évoquant ces mainframes de la taille d'une pièce.

Le problème est que les taux d'erreur sont extrêmes. Les plus grandes puces d'aujourd'hui ont moins d'une centaine de qubits, mais des milliers, voire des dizaines de milliers, peuvent être nécessaires pour produire le même résultat qu'un seul qubit sans erreur. Chaque qubit a besoin de son propre câblage de contrôle, donc plus on en ajoute, plus un système devient complexe à gérer. Plus d'équipement sera également nécessaire pour surveiller et gérer le nombre de qubits en expansion rapide. Cela pourrait augmenter considérablement la complexité et le coût des ordinateurs, limitant ainsi leur attrait.

Robert Schoelkopf, professeur à Yale, pense qu'il y a une meilleure voie à suivre. Au lieu d'essayer d'entasser toujours plus de qubits sur une seule puce, Quantum Circuits, une startup qu'il a cofondée en 2017, développe ce qui équivaut à des mini machines quantiques. Celles-ci peuvent être mises en réseau via des interfaces spécialisées, un peu comme des briques Lego très high-tech. Schoelkopf dit que cette approche aide à produire des taux d'erreur plus faibles, donc moins de qubits - et donc moins de matériel de support - seront nécessaires pour créer de puissantes machines quantiques.

Robert Schoelkopf dans le laboratoire du bureau de New Haven de Quantum Circuits. Julie Bidwell

Les sceptiques soulignent que contrairement à des rivaux tels qu'IBM, Quantum Circuits n'a pas encore dévoilé publiquement un ordinateur fonctionnel. Mais s'il peut en fournir un à la hauteur des affirmations de Schoelkopf, cela pourrait aider à faire sortir l'informatique quantique des laboratoires et dans le monde commercial beaucoup plus rapidement.

La volonté de créer des qubits plus durables

L'idée d'assembler des blocs de construction quantiques plus petits pour créer de plus gros ordinateurs existe depuis des années, mais elle n'a jamais vraiment fait son chemin. Il n'y a pas encore eu de grande machine tolérante aux pannes qui ait été construite en utilisant l'approche modulaire, explique Jerry Chow, qui gère l'équipe d'informatique quantique expérimentale chez IBM Research. Pourtant, ajoute Chow, si quelqu'un peut y parvenir, ce sera Schoelkopf et ses collègues.

Après une formation d'ingénieur et de physicien, notamment des séjours à la NASA et à Caltech, Schoelkopf a rejoint la faculté de Yale en 1998 et a commencé à travailler sur l'informatique quantique. Lui et ses collègues ont été les pionniers de l'utilisation de circuits supraconducteurs sur une puce pour créer des qubits. En pompant du courant électrique à travers des micropuces spécialisées contenues dans des réfrigérateurs plus froids que l'espace lointain, ils sont capables d'amener des particules dans les états quantiques qui sont la clé de l'immense puissance des ordinateurs.

Contrairement aux bits des ordinateurs ordinaires, qui sont des flux d'impulsions électriques ou optiques représentant soit un un ou un 0 , les qubits sont des particules subatomiques telles que des photons ou des électrons qui peuvent être dans une sorte de combinaison des deux un et 0 — un phénomène connu sous le nom de superposition. Les Qubits peuvent également s'emmêler les uns avec les autres, ce qui signifie qu'un changement d'état de l'un peut changer instantanément l'état des autres même lorsqu'il n'y a pas de connexion physique entre eux.

Un système de vide utilisé pour créer des circuits supraconducteurs. Julie Bidwell

Il y a plus d'informations à ce sujet dans notre explicatif sur l'informatique quantique. La principale chose à savoir, cependant, est que cela permet aux qubits d'agir comme s'ils effectuaient simultanément de nombreux calculs qu'un ordinateur ordinaire devrait effectuer de manière séquentielle. Ce qui signifie que l'ajout de qubits supplémentaires à une machine quantique augmente sa capacité de traitement de manière exponentielle.

Schoelkopf a également remporté des éloges pour son travail sur le problème du bruit. Les temps de cohérence des qubits, c'est-à-dire la durée pendant laquelle ils peuvent effectuer des calculs avant que le bruit ne perturbe leur état quantique délicat, se sont améliorés d'un facteur 10 environ tous les trois ans. (Les chercheurs ont surnommé cette tendance la loi de Schoelkopf en clin d'œil à la loi de Moore de l'informatique classique, selon laquelle le nombre de transistors sur une puce de silicium double environ tous les deux ans.) Brendan Dickinson de Canaan Partners, l'un des investisseurs de Quantum Circuits, déclare Schoelkopf's ses antécédents impressionnants dans le domaine des qubits supraconducteurs sont l'une des principales raisons pour lesquelles il a décidé de soutenir l'entreprise, qui a déjà levé 18 millions de dollars.

Ironiquement, certains des étudiants encadrés par Schoelkopf et ses cofondateurs de Yale, Michel Devoret et Luigi Frunzio, sont maintenant dans des entreprises comme IBM et Rigetti qui rivalisent avec leur startup. Schoelkopf est clairement fier de la diaspora quantique issue du laboratoire de Yale. Il m'a dit qu'il y a quelques années, il avait examiné toutes les organisations du monde entier travaillant sur les qubits supraconducteurs et avait découvert que plus de la moitié d'entre elles étaient dirigées par des personnes qui y avaient passé du temps. Mais il croit aussi qu'une sorte de pensée de groupe s'est installée.

Les avantages des machines modulaires

La plupart des chercheurs travaillant sur les machines supraconductrices se concentrent sur la création d'autant de qubits que possible sur une seule puce. L'approche de Quantum Circuits est très différente de cette norme. Le cœur de son système est un petit module en aluminium contenant des circuits supraconducteurs réalisés sur des puces de silicium ou de saphir. Chaque module contient ce qui équivaut à cinq à 10 qubits.

Pour mettre en réseau ces modules dans des ordinateurs plus grands, la société utilise ce qui ressemble à quelque chose de Star Trek — téléportation quantique. C'est une méthode qui a été développée pour envoyer des données à travers des choses comme les réseaux de télécommunications. L'idée de base consiste à emmêler un photon micro-onde dans un module avec un photon dans un autre, puis à utiliser le lien entre eux comme pont pour le transfert de données. (Nous avons également un explicateur de téléportation quantique.) Quantum Circuits a utilisé cette approche pour téléporter une version quantique d'une porte logique entre ses modules.

Schoelkopf dit qu'il y a plusieurs raisons pour lesquelles les modules de mise en réseau ensemble sont préférables à l'entassement d'autant de qubits que possible sur une seule puce. La plus petite échelle de chaque unité facilite le contrôle du système et l'application des techniques de correction d'erreurs. De plus, si certains qubits se détraquent dans un module individuel, l'unité peut être retirée ou isolée sans affecter les autres en réseau avec elle ; s'ils sont tous sur une seule puce, le tout devra peut-être être mis au rebut.

Une plaquette utilisée pour créer des qubits dans les ordinateurs de Quantum Circuits. Julie Bidwell

À l'avenir, les machines modulaires de Quantum Circuits auront toujours besoin du même équipement que leurs concurrents, y compris les réfrigérateurs à surfusion et l'équipement de surveillance. Mais à mesure qu'ils évoluent, ils ne devraient pas nécessiter le même type de câblage de contrôle et d'autres accessoires nécessaires pour maîtriser les qubits individuels. Ainsi, alors que les appareils rivaux pourraient ressembler de plus en plus à ces premiers ordinateurs centraux massifs, les machines de la startup devraient rester similaires à celles plus minces qui sont apparues au fur et à mesure que l'informatique conventionnelle progressait dans les années 1970 et au-delà.

En écoutant Schoelkopf parler de la technologie, une image s'est glissée dans ma tête : mes enfants jouant avec des briques en plastique Lego quand ils étaient jeunes, les assemblant pour construire des châteaux et des forts.

Lorsque j'ai suggéré la comparaison, Schoelkopf était d'abord un peu méfiant, puis est devenu assez enthousiaste. En général, chaque appareil complexe que je connais, a-t-il dit, est basé sur l'équivalent de blocs Lego, et vous définissez les interfaces et comment elles s'emboîtent… [Les briques Lego] sont vraiment bon marché. Ils peuvent être produits en série. Et ils se connectent toujours dans le bon sens.

Les modules quantiques de Schoelkopf ont un autre avantage clé. Chacun contient une cavité tridimensionnelle qui piège un certain nombre de photons micro-ondes. Ceux-ci forment ce qu'on appelle des qudits, et ils sont comme des qubits, sauf qu'ils stockent plus d'informations. Alors qu'un qubit représente une combinaison de un et 0 , un qudit peut exister dans plus de deux états—disons, 0 , un , et deux en même temps. Les ordinateurs quantiques avec qudits peuvent analyser encore plus d'informations simultanément.

Scientifiques ont expérimenté avec des qudits pendant un certain temps, mais ils sont difficiles à générer et à contrôler. Schoelkopf dit que Quantum Circuits a trouvé des moyens de créer des circuits de haute qualité de manière cohérente et de réduire considérablement les erreurs. (La société affirme avoir atteint des temps de cohérence en utilisant ses cavités qui sont dix à 100 fois plus longues que pour les qubits supraconducteurs, ce qui facilite la correction des erreurs.) Certains qubits sont encore nécessaires pour effectuer des opérations sur les qudits et en extraire des informations. , mais son approche nécessite moins de ces qubits. Cela, à son tour, signifie que moins de matériel est nécessaire dans l'ensemble.

L'informatique quantique est un domaine très ouvert

Intérieur d'un réfrigérateur à dilution Quantum Circuits. Avec l'aimable autorisation de Quantum Circuits

L'approche de Quantum Circuits semble convaincante, mais Schoelkopf refuse de dire exactement quand la société dévoilera un ordinateur entièrement fonctionnel. Il ne divulguera pas non plus le nombre total de qubits et de qudits que son équipe a réussi à faire travailler ensemble.

Plus cela tarde, plus sa startup risque d'être éclipsée par ses rivales. IBM et Rigetti permettent déjà aux entreprises et aux chercheurs d'accéder à leurs ordinateurs quantiques via le cloud informatique, et Google serait sur le point d'être le premier à atteindre la suprématie quantique - ou le point auquel un ordinateur quantique peut effectuer une tâche hors de portée du supercalculateur conventionnel le plus puissant.

Schoelkopf dit que les organisations qui veulent essayer des algorithmes sur le système de Quantum Circuits pourront le faire très bientôt, et qu'à un moment donné, il connectera des machines au cloud comme IBM et Rigetti l'ont fait. La startup ne se contente pas de construire des ordinateurs ; il travaille également sur un logiciel qui aidera les utilisateurs à tirer le meilleur parti du matériel sous-jacent.

En plus, c'est le début. Les algorithmes quantiques exécutés sur des services cloud comme ceux d'IBM aujourd'hui sont encore assez basiques, note Schoelkopf. Le champ est grand ouvert pour les ordinateurs quantiques et les logiciels associés qui peuvent vraiment faire la différence dans un large éventail de domaines, des applications d'intelligence artificielle turbocompressées à la modélisation de molécules pour les chimistes.

Beaucoup de questions demeurent. Quantum Circuits pourra-t-il continuer à produire des qubits et des qudits robustes tout en construisant des machines beaucoup plus grandes ? Peut-il faire fonctionner sa méthode de téléportation quantique de manière fiable en connectant plusieurs modules ensemble ? Et ses systèmes, lorsqu'ils seront mis en vente, seront-ils plus rentables à exploiter que ceux de leurs concurrents ? D'importants défis en physique et en ingénierie nous attendent encore. Mais si Schoelkopf et ses collègues peuvent les surmonter, ils pourraient prouver que la clé pour devenir très grand en informatique quantique est de penser petit.

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