Des scientifiques ont construit une porte logique “hybride” fonctionnelle pour les ordinateurs quantiques

Alors que les ordinateurs classiques se rapprochent de plus en plus de leur limite théorique, la course est lancée pour construire une machine capable d’exploiter la puissance de traitement sans précédent de l’informatique quantique. Aujourd’hui, deux équipes de recherche ont démontré indépendamment comment l’enchevêtrement d’atomes de différents éléments peut résoudre le problème des erreurs de mémoire quantique tout en fonctionnant dans le cadre d’une porte logique et en passant le test essentiel de l’enchevêtrement véritable.

“Les ordinateurs quantiques hybrides permettent d’exploiter ensemble les avantages uniques de différents types de systèmes quantiques sur une seule plateforme”, a déclaré l’auteur principal Ting Rei Tan. “Chaque espèce d’ions est unique, et certaines sont mieux adaptées à certaines tâches comme le stockage de la mémoire, tandis que d’autres sont plus adaptées pour fournir des interconnexions pour le transfert de données entre des systèmes distants.”

Dans les ordinateurs que nous utilisons aujourd’hui, les données sont traitées et stockées sous forme de bits binaires, chaque bit individuel prenant un état de 0 ou 1. Comme ces états sont définis, la quantité d’informations pouvant être traitées est limitée et nous approchons rapidement du point où cela ne sera plus suffisant.

Les ordinateurs quantiques, en revanche, stockent les données sous forme de qubits, qui peuvent être dans l’état 0 ou 1, ou prendre un autre état appelé superposition, qui leur permet d’être 0 et 1 en même temps. Si nous parvenons à construire une machine qui intègre ce phénomène aux capacités de traitement des données, nous pourrons envisager des ordinateurs qui seront des centaines de millions de fois plus rapides que les superordinateurs actuels.

Les qubits utilisés dans cette configuration sont en fait des ions atomiques (des atomes auxquels on a enlevé un électron), et leurs états sont déterminés par leur spin – le spin up est égal à 1, le spin down à 0. Chaque ion atomique est apparié, et si l’ion de contrôle prend l’état de superposition, il s’emmêle avec son partenaire, de sorte que tout ce que vous faites à un ion affectera l’autre.

Cela peut poser des problèmes, notamment en ce qui concerne la mémoire. Il est inutile de stocker et de traiter des informations si vous ne pouvez pas les conserver de manière fiable. Si vous avez un système entier construit sur des paires d’ions atomiques identiques, vous vous exposez à des erreurs constantes, car si un ion est affecté par un dysfonctionnement, cela affectera également son partenaire. Par ailleurs, l’utilisation des mêmes ions atomiques dans une paire rend très difficile l’exécution de fonctions distinctes.

C’est pourquoi des chercheurs de l’université d’Oxford, au Royaume-Uni, et une deuxième équipe du National Institute of Standards and Technology (NIST) et de l’université de Washington, ont déterminé quelles combinaisons de différents éléments peuvent fonctionner ensemble en tant que paires dans une configuration quantique.

chaque ion piégé est utilisé pour représenter un “bit quantique” d’information. Les états quantiques des ions sont contrôlés par des impulsions laser de fréquence et de durée précises”, explique l’un des chercheurs, David Lucas, de l’université d’Oxford. “Deux espèces différentes d’ions sont nécessaires dans l’ordinateur : l’une pour stocker les informations, un ‘qubit de mémoire’, et l’autre pour relier les différentes parties de l’ordinateur par des photons, un ‘qubit d’interface’.”

Si l’équipe d’Oxford y est parvenue en utilisant deux isotopes différents du calcium (l’isotope abondant calcium-40 et l’isotope rare calcium-43), la seconde équipe est allée encore plus loin en associant des atomes totalement différents – magnésium et béryllium. Chacun d’eux est sensible à une longueur d’onde différente de la lumière, ce qui signifie que le fait d’envoyer une impulsion laser à l’un d’eux pour contrôler sa fonction n’affectera pas son partenaire.

Les équipes ont ensuite démontré pour la première fois que les états de superposition (0 et 1) de ces paires pouvaient être contrôlés par deux types différents de portes logiques, appelées portes CNOT et SWAP. Les portes logiques sont des composants essentiels de tout circuit numérique, car elles sont capables d’enregistrer deux valeurs d’entrée et de fournir une nouvelle sortie basée sur une logique programmée.

“Une porte CNOT retourne le deuxième qubit (cible) si le premier qubit (contrôle) est un 1 ; s’il est un 0, le bit cible reste inchangé”, explique le communiqué de presse du NIST. “Si le qubit de contrôle est en superposition, les ions s’enchevêtrent. Une porte SWAP permet d’échanger les états des qubits, y compris les superpositions.”

L’équipe d’Oxford a démontré l’appariement des ions dans cette configuration pendant environ 60 secondes, tandis que l’équipe du NIST/Washington a réussi à garder les leurs intriqués pendant 1,5 seconde. Cela ne semble pas beaucoup, mais c’est relativement stable lorsqu’il s’agit de qubits.

“Les deux équipes confirment que leurs deux atomes sont intriqués avec une probabilité très élevée : 0,998 pour l’un, 0,979 pour l’autre (sur un maximum de un)”, rapporte John Timmer pour Ars Technica. “L’équipe du NIST a même montré qu’elle pouvait suivre l’atome de béryllium lorsqu’il changeait d’état en observant l’état de l’atome de magnésium.”

De plus, les deux équipes ont pu réaliser avec succès un test de Bell en utilisant la porte logique pour emmêler les paires d’ions d’espèces différentes, puis en les manipulant et en les mesurant indépendamment.

nous montrons que les portes logiques quantiques entre différentes espèces isotopiques sont possibles, qu’elles peuvent être commandées par un système laser relativement simple et qu’elles peuvent fonctionner avec une précision supérieure à la précision dite “seuil de tolérance aux fautes” d’environ 99 % – la précision nécessaire pour mettre en œuvre les techniques de correction d’erreurs quantiques, sans lesquelles un ordinateur quantique de taille utile ne peut être construit”, a déclaré Lucas dans un communiqué de presse d’Oxford.

Bien sûr, nous ne disposons pas d’ordinateurs quantiques appropriés pour tester réellement ces composants dans le contexte d’un système fonctionnel. Ce sera la prochaine étape, et des équipes internationales de scientifiques et d’ingénieurs se battent pour y parvenir. Nous sommes impatients de voir ce qu’ils feront quand ils y parviendront.

Les articles ont été publiés dans Nature ici et ici.