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Des chercheurs du Quantum Lab de Microsoft ont récemment mis au point un nouveau type de puce informatique capable de fonctionner à des températures proches du zéro absolu. Une prouesse qui promet de bouleverser profondément l’informatique quantique.

Contourner l’une des principales limitations des architectures quantiques actuelles

Baptisé Gooseberry, ce système cryogénique révolutionnaire permettra à une nouvelle génération de machines d’effectuer des calculs avec des milliers de qubits, plutôt que quelques dizaines à l’heure actuelle. « Les ordinateurs quantiques les plus performants au monde utilisent actuellement une cinquantaine de qubits seulement », explique David Reilly, chercheur à l’université de Sydney et auteur principal de la nouvelle étude, parue dans la revue Nature Electronics. « Un nombre réduit dû en partie aux limites de l’architecture physique les contrôlant. »

Contrairement aux bits binaires des ordinateurs classiques, qui prennent la valeur de 0 ou de 1, les qubits peuvent exister dans une superposition simultanée de ces deux états, ce qui se traduit par une puissance de calcul décuplée, leur permettant de résoudre en un temps record des opérations extrêmement complexes qui prendraient des millions d’années à des machines reposant sur une architecture conventionnelle.

Toutefois, à l’instar de l’informatique classique, plus est toujours mieux. Jusqu’à présent, les chercheurs ont été limités dans le nombre de qubits pouvant être utilisés dans les systèmes quantiques par les conditions extrêmes devant être déployées : ceux-ci impliquent notamment des températures très basses, et la faible chaleur dégagée par le câblage électrique utilisé par les dispositifs actuels peut suffire à perturber leur bon fonctionnement.

En décembre dernier, la NASA avait réalisé la première téléportation quantique longue distance — Yurchanka Siarhei / Shutterstock.com

Si de récentes innovations ont permis de maintenir des températures stables et d’augmenter sensiblement le nombre de qubits, les câblages utilisés s’avèrent particulièrement encombrants. « Les machines actuelles possèdent un magnifique réseau de câbles pour contrôler les signaux, semblable à un nid d’oiseaux », souligne Reilly. « Ce qui s’avère esthétiquement sympathique mais extrêmement limitant en ce qui concerne les qubits pouvant être utilisés. Il y a un véritable goulet d’étranglement entre les entrées et les sorties. »

Une puce capable de fonctionner à une température proche du zéro absolu

Puce de contrôle cryogénique capable de fonctionner à des températures de l’ordre du « millikelvin », c’est-à-dire une fraction de degré au-dessus du zéro absolu, Gooseberry pourrait permettre de contourner cette limitation. Sa capacité thermique extrême signifie qu’elle peut être placée dans un environnement très froid, interagir avec les qubits et transmettre leurs signaux à un noyau secondaire se trouvant dans un autre dispositif réfrigéré, immergé dans de l’hélium liquide.

Une telle architecture permettrait d’éliminer tout câblage encombrant ainsi que la chaleur excédentaire associée, ce qui signifie que les goulets d’étranglement actuels concernant le nombre de qubits utilisés pourraient bientôt appartenir au passé. « La puce est le composant électronique le plus complexe à faire fonctionner à cette température », détaille Reilly. « C’est la première fois qu’une puce à signaux mixtes intégrant 100 000 transistors fonctionne à 0,1 kelvin, soit l’équivalent de -273,05 °C. »

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« Pourquoi ne pas commencer à raisonner en milliards de qubits ? »

L’équipe prévoit que son système expérimental, utilisant la fameuse puce cryogénique, permettra dans un avenir proche de contrôler des milliers de qubits (soit environ 20 fois plus que ce qui est possible aujourd’hui) et estime qu’à terme une telle approche pourrait permettre aux ordinateurs quantiques d’atteindre un tout autre niveau. « Pourquoi ne pas commencer à raisonner en milliards de qubits ? », se demande Reilly.

S’il faudra un certain temps avant de voir cette percée cryogénique mise en pratique en dehors des laboratoires, il s’agit d’une étape majeure pour le développement des dispositifs quantiques. « Cette architecture va permettre de nombreuses avancées au cours des prochaines années », estime Andrew White, qui supervise la recherche quantique en Australie. « Les chercheurs développant des ordinateurs quantiques ne s’appuieront peut-être pas sur cette puce en particulier, mais utiliseront définitivement des composants s’en inspirant. »

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