Des chercheurs dévoilent le premier ordinateur quantique entièrement programmable à atomes neutres

Si la plupart des ordinateurs quantiques reposent sur l’utilisation de qubits supraconducteurs ou à ions piégés, une autre approche impliquant des atomes ordinaires pourrait présenter de sérieux avantages.

Des atomes de césium à charge neutre

À la différence des machines classiques, qui traitent les données sous forme de bits binaires (0 ou 1), ceux des ordinateurs quantiques (connus sous le nom de qubits) peuvent exister dans une superposition simultanée de ces deux états. Ce qui se traduit par une augmentation exponentielle de leur puissance de traitement potentielle.

Les dispositifs actuels les plus puissants utilisent des qubits dits supraconducteurs ou à ions piégés, mais ceux-ci présentent des inconvénients : les agencer de manière à ce qu’ils puissent tous communiquer entre eux se révèle extrêmement compliqué, et le maintien de températures ultra-basses s’avère également nécessaire pour faire fonctionner les systèmes supraconducteurs.

Dans le cadre de travaux pré-publiés sur le serveur arXiv, Mark Saffman et ses collègues de l’université du Wisconsin-Madison ont conçu un ordinateur quantique alternatif utilisant six qubits constitués d’atomes de césium à charge neutre, par opposition aux ions chargés.

Piégés dans une grille à l’aide de lasers, ceux-ci se révèlent suffisamment éloignés les uns des autres pour ne pas interagir. Mais lorsque des atomes individuels sont excités par un faisceau laser émis à la bonne fréquence, les électrons qui orbitent autour d’eux s’éloignent tellement qu’ils peuvent s’enchevêtrer avec leurs voisins. Un phénomène essentiel dans le cas des ordinateurs quantiques.

Une structure bidimensionnelle

Cette structure bidimensionnelle offre un avantage de taille par rapport à la configuration des machines à ions piégés, qui sont normalement organisés en rangées afin de supprimer les interactions indésirables entre les particules chargées. Ce qui limite leur capacité à communiquer, et par conséquent a exécuter des algorithmes nécessitant une grande connectivité entre les qubits.

Présenté comme la première machine quantique à atomes neutres entièrement programmable, le système imaginé par les chercheurs américains est en mesure d’exécuter n’importe quel algorithme quantique et pourrait théoriquement être mis à l’échelle afin de concurrencer d’autres approches de pointe.

« Puisque tout se fait à l’aide de faisceaux laser, si vous décidez d’exécuter un algorithme impliquant une connectivité différente entre les qubits, vous pouvez facilement reconfigurer leurs positions », commente Charles Adams de l’université de Durham au Royaume-Uni.

Des progrès réguliers

Le nouveau dispositif n’est pas le seul à démontrer le potentiel des machines à atomes neutres. La start-up française Pasqal a dévoilé un processeur doté de plus de 100 qubits conçu pour réaliser des simulations complexes, tandis que des chercheurs de Harvard ont mis au point une machine permettant des enchevêtrements de qubits éloignés, n’étant toutefois pas entièrement programmable.

« Les nombreux progrès réalisés ces dernières années suggèrent que cette approche pourra rivaliser avec les qubits supraconducteurs et les ions piégés dans un avenir relativement proche », estime Andrew Daley de l’université de Strathclyde, au Royaume-Uni.

Saffman travaille également pour la société ColdQuanta, qui cherche à développer un ordinateur quantique à atomes neutres à usage commercial. Selon le chercheur, la mise au point de machines entièrement programmables plus grandes (et donc plus puissantes) passera notamment par l’intégration d’une stratégie de correction d’erreurs.

Par Yann Contegat, le 23 janvier 2022