Les rayons cosmiques pourraient poser problème aux futurs ordinateurs quantiques

Timothy Holland, PNNL

L'informatique quantique a le potentiel de gérer des problèmes complexes à des vitesses ultra-rapides. Ce qui rend cela possible, c'est la façon dont il exploite les qubits - généralement des particules subatomiques telles que les électrons - qui utilisent des propriétés quantiques pour représenter de nombreuses combinaisons au-delà du 0 ou un de mèches conventionnelles. Lorsque des paires de qubits sont enchevêtrées, elles peuvent changer l'état de l'autre de manière prévisible, même à de très longues distances, augmentant encore la puissance de traitement.

Tout cela a un coût. Les qubits sont très sensibles aux perturbations les plus légères, se décomposent et disparaissent rapidement dans un processus appelé décohérence. Et selon nouvelles découvertes publiées dans Nature mercredi, le rayonnement cosmique est une cause de décohérence qui pourrait s'avérer particulièrement gênante.

La nouvelle étude est basée sur un type d'informatique quantique qui utilise des matériaux supraconducteurs pour produire des qubits via des paires d'électrons chargés. Les résultats indiquent que le rayonnement naturel produit par les matériaux normaux qui nous entourent, comme les structures en béton, est suffisant pour limiter la durée de vie utile de ce type d'état qubit à quelques millisecondes seulement, émoussant l'application pratique d'un ordinateur quantique. Le rayonnement produit par les rayons cosmiques aurait un effet encore plus grand.

C'est un problème car cela affecte essentiellement tout système de ce type qui n'est pas entouré de plomb ou de chemin stocké sous terre. Tout endroit exposé aux rayons cosmiques sera un mauvais endroit pour essayer d'exécuter ce genre de processus.

Tout ordinateur quantique basé sur la technologie des qubits supraconducteurs devra traiter de manière très explicite les effets des radiations, déclare le co-auteur de l'étude Brent VanDevender du Pacific Northwest National Laboratory à Richland, Washington.

Les radiations endommagent les qubits en y déposant de l'énergie. Il faut très peu d'énergie pour briser des paires d'électrons dans un supraconducteur, et ces paires se brisent en électrons libres, conduisant potentiellement à des échanges d'énergie qui peuvent détruire l'état délicat du supraconducteur. Cela fait perdre aux qubits leur état quantique et décohère, mettant fin à toute véritable informatique quantique.

L'équipe, dirigée par Antti Vepsäläinen, chercheur en informatique quantique au MIT, a exposé des qubits supraconducteurs à du cuivre irradié et a découvert que les qubits exposés uniquement à des niveaux naturels de rayonnement étaient stables pendant environ quatre millisecondes. C'est en fait plus long que ce que nous voyons maintenant en moyenne dans les expériences d'informatique quantique (environ 0,1 milliseconde de stabilité), mais même quelques millisecondes sont encore trop courtes pour les applications pratiques d'informatique quantique. L'étude souligne que même si nous pouvons éliminer d'autres causes de décohérence, telles que les vibrations physiques ou les changements de température, le rayonnement rendra toujours l'informatique quantique difficile.

Les résultats ne sont pas trop surprenants, déclare Shyam Shankar, chercheur en informatique quantique à l'Université du Texas à Austin, qui n'a pas participé à cette étude. Je dirais que beaucoup de gens s'attendraient à ce que cela se produise. Mais nous ne savions pas exactement à quel niveau ce rayonnement affecterait les qubits. Cela est dû en partie à la difficulté de mener à bien ces expériences. C'est agréable de voir d'autres faire l'expérience et obtenir des valeurs réelles pour ce phénomène, dit-il.

Il est maintenant temps de commencer à comprendre et à gérer cela, déclare VanDevender. Les ingénieurs en informatique quantique peuvent déployer des mécanismes de correction d'erreurs qui peuvent aider à atténuer ces effets, mais ils sont actuellement trop lents pour rattraper la décohérence qubit induite par les radiations.

Avec de faibles niveaux de rayonnement provenant des rayons cosmiques imprégnant la plupart des endroits à la surface de la planète, les meilleurs moyens d'atténuer les interférences de rayonnement pourraient être les plus simples : protégez les appareils qubit des rayonnements (en utilisant des matériaux tels que le plomb) ou construisez-les sous terre. VanDevender pense qu'il existe probablement un terrain d'entente idéal qui nécessitera un blindage modeste et des emplacements souterrains peu profonds. En d'autres termes, si vous construisez un ordinateur quantique, mettez-le dans un sous-sol. Les futurs ingénieurs pourraient également envisager de développer des qubits qui soient en quelque sorte moins sensibles aux radiations.

Bien que ce ne soit pas une bonne nouvelle pour l'informatique quantique, cette recherche pourrait avoir un bon côté. Il s'avère que les qubits ou quelque chose comme eux sont de fantastiques détecteurs de rayonnement, dit VanDevender. L'espoir existe d'une sensibilité améliorée dans les recherches de matière noire ou d'expériences qui pourraient révéler des défauts longtemps recherchés dans notre modèle standard de physique des particules.

Correction du 23/08/20 : Cette histoire faisait initialement référence à des systèmes informatiques quantiques spatiaux qui étaient inexacts. Nous avons supprimé ces références.

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