Depuis des décennies, les chercheurs tentent de construire un ordinateur qui exploite l’énorme potentiel de la mécanique quantique. Aujourd’hui, des ingénieurs de l’université de Nouvelle-Galles du Sud (UNSW), en Australie, ont surmonté le dernier obstacle en créant une porte logique quantique en silicium, le même matériau que celui utilisé pour fabriquer les puces électroniques actuelles.
Le dispositif nouvellement mis au point permet à deux bits quantiques – ou qubits – de communiquer et d’effectuer des calculs ensemble, ce qui est une condition essentielle pour les ordinateurs quantiques. Mieux encore, les chercheurs ont également trouvé le moyen d’étendre cette technologie à des millions de qubits, ce qui signifie qu’ils ont désormais la possibilité de construire la première puce de processeur quantique au monde et, à terme, le premier ordinateur quantique sur silicium.
Actuellement, les puces d’ordinateur ordinaires stockent les informations sous forme de bits binaires, qui sont soit à l’état 0, soit à l’état 1. Ce système fonctionne bien, mais il signifie que la quantité de données pouvant être traitées est limitée. Les qubits, en revanche, peuvent être à l’état 0, 1 ou les deux en même temps, ce qui confère aux ordinateurs quantiques une puissance de traitement sans précédent… si nous parvenons à les construire.
Les scientifiques parviennent à contrôler ces qubits, mais il leur est difficile de les faire communiquer entre eux et d’effectuer des opérations. C’est essentiel pour former ce que l’on appelle une porte logique – un élément constitutif de tous les circuits numériques, qui prend deux valeurs d’entrée et fournit une nouvelle sortie basée sur une logique programmée.
Des portes logiques quantiques ont été construites dans le passé, mais elles utilisaient toutes des matériaux exotiques, ce qui n’est pas compatible avec l’infrastructure informatique actuelle basée sur le silicium. Une porte logique quantique en silicium était le dernier élément physique restant à construire pour créer un ordinateur quantique en silicium.
“Étant donné que nous utilisons essentiellement la même technologie de dispositif que les puces d’ordinateur existantes, nous pensons qu’il sera beaucoup plus facile de fabriquer une puce de processeur à l’échelle réelle que pour n’importe lequel des principaux modèles, qui reposent sur des technologies plus exotiques”, a déclaré le chef du projet, Andrew Dzurak, dans un communiqué de presse. “Cela rend la construction d’un ordinateur quantique beaucoup plus réalisable, puisqu’elle repose sur la même technologie de fabrication que l’industrie informatique actuelle.”
La difficulté de la construction de portes logiques quantiques réside dans le fait que, pour que deux qubits se “parlent”, ils doivent être incroyablement proches l’un de l’autre – généralement à une distance de 20 à 40 nanomètres – ce qui rend leur contrôle incroyablement difficile.
L’équipe a surmonté ce problème en copiant efficacement la configuration des puces traditionnelles. Dans cette configuration, les bits binaires sont définis par de minuscules dispositifs semi-conducteurs appelés transistors. Environ un milliard de ces transistors ont été placés sur chaque puce de silicium de votre smartphone ou de votre ordinateur.
Les bits quantiques, quant à eux, sont définis par le spin d’un seul électron. Mais en reconfigurant les transistors traditionnels pour qu’ils ne soient associés qu’à un seul électron, M. Dzurak et son équipe ont réussi à leur faire définir des qubits.
“Nous avons transformé ces transistors en silicium en bits quantiques en veillant à ce qu’un seul électron leur soit associé. Nous stockons ensuite le code binaire 0 ou 1 sur le “spin” de l’électron, qui est associé au minuscule champ magnétique de l’électron”, a déclaré Menno Veldhorst, l’auteur principal de cette recherche, qui a été publiée dansNature.
L’équipe a ensuite montré qu’elle pouvait utiliser des électrodes métalliques sur ces transistors pour contrôler les qubits et les faire communiquer entre eux, créant ainsi une porte logique fonctionnelle.
Les chercheurs ont déjà breveté un concept “pour une puce d’ordinateur quantique à grande échelle qui permettrait d’utiliser des millions de nos qubits, tous effectuant les types de calculs que nous venons de démontrer expérimentalement”, explique M. Dzurak, et ils pensent pouvoir réaliser une version simple d’ici cinq ans.
Une fois que nous disposerons d’une puce quantique en silicium, nous serons en mesure de construire un ordinateur quantique fonctionnel, qui révolutionnera la manière dont nous traitons l’information et aura un impact considérable sur la finance, la recherche et la sécurité
Il y a encore beaucoup d’ingénierie à faire, mais c’est une période assez excitante pour être en vie.