Le partage intelligent des câbles donne un coup de pouce considérable aux ordinateurs quantiques.

Représentation artistique du multiplexage temporel des signaux de contrôle d'un ordinateur quantique. Les signaux de contrôle des portes à un qubit (blocs courts) et des portes à deux qubits (blocs longs) transitent par des câbles communs (tunnels) jusqu'à des commutateurs, qui les distribuent entre les qubits (sphères) en fonction de signaux de commutation (losanges). En ordonnant astucieusement les signaux de contrôle, à la manière d'un jeu de Tetris, on évite en grande partie les engorgements et les programmes sur l'ordinateur quantique s'exécutent presque aussi rapidement que si chaque qubit disposait de son propre câble de contrôle. Crédit : Université de technologie Chalmers/Boid

Un obstacle majeur au développement d'ordinateurs quantiques puissants réside dans le nombre croissant de câbles nécessaires à leur contrôle, à mesure que le nombre de qubits augmente. Des chercheurs de l'Université de technologie Chalmers, en Suède, ont démontré que plusieurs qubits peuvent partager un même câble, sans augmentation significative du temps de calcul. Leur étude, la plus complète à ce jour, pourrait constituer un élément essentiel au développement des ordinateurs quantiques. Ces derniers ont le potentiel de révolutionner des domaines tels que la recherche pharmaceutique et la logistique.

La puissance des ordinateurs quantiques réside dans ce que l'on appelle les « qubits ». Contrairement aux « bits » classiques, qui ne peuvent prendre que la valeur 1 ou 0, un qubit peut prendre simultanément les valeurs 1 et 0, ainsi que toutes les valeurs intermédiaires, dans n'importe quelle combinaison. Cela signifie qu'un ordinateur quantique doté de 20 qubits peut représenter simultanément plus d'un million d'états différents, ce qui lui confère une puissance de calcul colossale.

La course mondiale aux technologies quantiques bat son plein, les géants de la tech étant actuellement en tête avec des ordinateurs quantiques basés sur plus de 100 qubits. Mais pour relever les défis sociétaux concrets, les ordinateurs quantiques devront être beaucoup plus grands, avec des milliers, voire plus, de qubits fonctionnels, explique Anton Frisk Kockum, professeur associé de physique quantique appliquée à l'université de technologie Chalmers. À Chalmers, des chercheurs développent le plus grand ordinateur quantique de Suède au sein du Centre Wallenberg pour les technologies quantiques.

Les défis techniques ralentissent la mise à l'échelle

Cependant, le passage à l'échelle supérieure des ordinateurs quantiques se heurte à des difficultés pratiques. Pour fonctionner, de nombreux types d'ordinateurs quantiques, notamment ceux basés sur des circuits supraconducteurs, doivent être refroidis à des températures proches du zéro absolu, soit -273,15 °C. Ce refroidissement est assuré par l'hélium contenu dans des cryostats entourant l'ordinateur quantique. Pour contrôler les calculs quantiques, des signaux sont transmis par des câbles depuis l'électronique externe jusqu'aux qubits refroidis à l'intérieur du système. Or, ces câbles dégagent de la chaleur qui affecte la température à l'intérieur du cryostat, ce qui risque d'empêcher les qubits de poursuivre les calculs.

« Chaque qubit nécessitant actuellement son propre câble, le nombre de qubits qu'un système peut contenir est limité avant que la température ne devienne trop élevée et que l'ordinateur quantique ne cesse de fonctionner. Il existe également des limitations physiques, car les câbles occupent de l'espace dans le cryostat », explique Ingrid Strandberg, chercheuse en technologies quantiques à Chalmers.

Le partage intelligent des câbles remet en question les préoccupations précédentes

Une approche alternative, encore peu explorée, consiste à faire partager un même câble à plusieurs qubits. Au lieu de contrôler les qubits en parallèle avec un câble chacun, ils sont contrôlés séquentiellement et rapidement à l'aide d'un nombre réduit de câbles. Ce procédé nécessite l'installation de commutateurs micro-ondes à proximité du processeur quantique afin d'acheminer chaque signal de contrôle vers son qubit cible ; il s'agit d'une procédure appelée multiplexage temporel.

Cependant, cette méthode implique un compromis. Si les qubits doivent attendre leur tour pour recevoir des signaux, les calculs peuvent prendre plus de temps. Afin d'évaluer l'importance réelle de ce délai, les chercheurs ont testé l'impact de la réduction du nombre de câbles de contrôle sur différents types de processeurs quantiques. Les résultats se sont avérés étonnamment positifs.

« Nous constatons que pour de nombreux algorithmes quantiques courants, le nombre de connexions peut être considérablement réduit sans que les calculs ne soient significativement ralentis ni que le temps d'exécution n'augmente de manière significative. Dans certains cas, comme pour les portes qui connectent deux qubits, il est même possible de partager les mêmes connexions sans aucun surcoût temporel, la seule limite étant la manière dont les qubits sont interconnectés », explique Marvin Richter, doctorant en technologies quantiques à Chalmers et principal auteur de l'étude.

Étape importante vers les ordinateurs quantiques à grande échelle

Les simulations informatiques et les analyses mathématiques réalisées par les chercheurs de Chalmers sont les plus complètes menées à ce jour dans ce domaine. Un résultat particulièrement important est que le temps de calcul augmente de façon logarithmique, et non linéaire, lorsque des qubits individuels partagent des câbles.

« Cette augmentation est plus lente que prévu », explique Simone Gasparinetti, professeure associée en technologies quantiques à Chalmers et co-auteure de l’étude . « Permettre à plusieurs qubits de partager des câbles pourrait constituer une étape importante vers les ordinateurs quantiques à grande échelle. Ces résultats nous incitent encore davantage à développer les commutateurs micro-ondes rapides et à faible dissipation nécessaires à la mise en œuvre de cette méthode. »

https://www.chalmers.se/en/current/news/mc2-smart-cable-sharing-gives-quantum-computers-a-big-boost