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Des ingénieurs de Stanford ont dévoilé une nouvelle architecture quantique simplifiée, dans laquelle un seul atome enchevêtré avec une série de photons permet de traiter et de stocker des informations.

« Nous n’avons besoin que d’une poignée de composants relativement basiques »

Les ordinateurs quantiques exploitent le monde étrange de la physique quantique pour effectuer des calculs bien plus rapides que les ordinateurs classiques. Alors que ces derniers stockent et traitent les informations sous forme de bits (1 et 0), ceux des machines quantiques, appelés qubits, peuvent exister dans une superposition simultanée de ces deux états. Ce qui signifie que leur puissance augmente de façon exponentielle à chaque qubit ajouté, leur permettant ainsi de s’attaquer à des problèmes hors de portée des ordinateurs classiques.

Bien sûr, les ordinateurs quantiques présentent leurs propres défis. Les effets sur lesquels ils reposent sont sensibles aux perturbations telles que les vibrations ou la chaleur, de sorte que ces machines doivent être maintenues à des températures proches du zéro absolu. Avec une complexité proportionnelle à leur puissance de calcul, celles-ci deviennent physiquement plus encombrantes à mesure que leurs capacités augmentent.

Dans le cadre de travaux publiés dans la revue Optica, l’équipe de Stanford a imaginé une architecture quantique simplifiée. Intégrant des composants courants (câble à fibre optique, séparateur de faisceau, commutateurs et cavité optique), le circuit photonique décrit permet de réduire significativement le nombre de portes logiques physiques nécessaires.

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« Normalement, pour construire ce type de machine, il faudrait prendre des milliers d’émetteurs quantiques potentiels puis les intégrer au sein d’un circuit photonique géant », explique Ben Bartlett, auteur principal de l’étude. « Avec une telle conception, nous n’avons besoin que d’une poignée de composants relativement basiques, et la taille de la machine n’est plus proportionnelle à la complexité du programme exécuté. »

Un circuit photonique simplifié

La nouvelle architecture se compose de deux parties principales : un anneau qui stocke les photons et une unité de diffusion. Les photons représentent ici des qubits, et la direction dans laquelle ils se déplacent autour de l’anneau détermine si leur valeur est égale à un, zéro ou les deux (quand ils se dirigent simultanément dans les deux directions, grâce aux bizarreries de la superposition quantique).

Pour coder les informations sur les photons, le système peut les diriger hors de l’anneau vers l’unité de diffusion, où ils entrent dans une cavité contenant un seul atome. Lorsque le photon interagit avec l’atome, ils s’enchevêtrent et tout changement apporté à l’un d’eux affecte l’autre, quelle que soit la distance les séparant.

En pratique, une fois le photon de retour dans l’anneau de stockage, il peut être « écrit » en manipulant l’atome avec un laser. L’équipe affirme que ce dernier peut être réinitialisé et réutilisé, ce qui permet de manipuler de nombreux photons différents dans un seul anneau. Cela signifie que la puissance de l’ordinateur quantique peut être augmentée en ajoutant plus de photons à l’anneau, plutôt que d’avoir à ajouter d’autres anneaux et unités de diffusion.

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« En mesurant l’état de l’atome, nous pouvons téléporter des opérations sur les photons », détaille Bartlett. « Nous n’avons donc besoin que d’un seul qubit atomique contrôlable, utilisé comme proxy pour manipuler indirectement tous les autres qubits photoniques. »

Des avantages de taille

Ce système devrait être en mesure d’exécuter une variété d’opérations quantiques. L’équipe affirme que différents programmes peuvent être exécutés sur le même circuit, en écrivant un nouveau code pour modifier comment et quand l’atome et les photons interagissent.

« Pour de nombreux ordinateurs quantiques photoniques, les portes sont des structures physiques que les photons traversent, donc si vous voulez changer le programme en cours d’exécution, cela implique souvent de reconfigurer physiquement le matériel », explique Bartlett. « Ici, il n’est pas nécessaire de modifier le matériel, il suffit de donner à la machine un ensemble d’instructions différent. »

Mieux encore, les dispositifs quantiques photoniques peuvent fonctionner à température ambiante, ce qui permet de se passer des encombrants systèmes de refroidissement autrement nécessaires.

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Jean-Pierre CHAUMAT

Cette proposition permet d’envisager une informatique quantique mieux adaptée à notre monde. Permettra-t-elle de développer des unités de grande puissance pouvant être exploitées en time-sharing ?