L’informatique quantique sur le bureau… Et bientôt même dans les appareils mobiles
Une entreprise australo-allemande développe de puissants accélérateurs quantiques de la taille d’une carte graphique. Ils fonctionnent à température ambiante, ce qui leur permet de surpasser les énormes superordinateurs quantiques refroidis par cryogénie d’aujourd’hui, et ils seront bientôt assez petits pour les appareils mobiles.
À ce stade, les ordinateurs quantiques supraconducteurs sont des machines énormes et incroyablement délicates. Ils doivent être isolés de tout ce qui pourrait dérégler le spin d’un électron et ruiner un calcul. Cela inclut l’isolation mécanique, dans des chambres à vide extrême, où seules quelques molécules peuvent subsister dans un mètre cube ou deux d’espace. Cela inclut les forces électromagnétiques – IBM, par exemple, entoure ses précieux bits quantiques, ou qubits, de métaux mu pour absorber tous les champs magnétiques.
Et cela inclut la température. Tout atome dont la température est supérieure au zéro absolu est par définition en état de vibration, et toute température supérieure à 10-15 millièmes de degré au-dessus du zéro absolu ébranle simplement les qubits au point qu’ils ne peuvent plus maintenir leur « cohérence ». Ainsi, la plupart des ordinateurs quantiques de pointe doivent être refroidis par cryogénie à l’aide d’un équipement complexe et coûteux avant que les qubits puissent conserver leur état pendant un certain temps et devenir utiles.
Vide extrême, métaux mu et refroidissement cryogénique à une température de l’ordre du microkelvin : ce n’est pas la recette pour obtenir une puissance de calcul quantique abordable, portable ou facilement modulable. Mais une startup d’origine australienne affirme avoir mis au point un microprocesseur quantique qui n’a besoin d’aucune de ces choses. En effet, il fonctionne sans problème à température ambiante. Pour l’instant, il a la taille d’une unité de rack. Bientôt, il aura la taille d’une carte graphique décente, et d’ici peu, il sera suffisamment petit pour être intégré dans les appareils mobiles aux côtés des processeurs traditionnels.
Le processeur quantique de 16 qubits d’IBM, modèle 2017, ici enfermé dans une chambre cryogénique.
Si cette société fait ce qu’elle dit pouvoir faire, il sera possible d’intégrer les avantages du quantique dans des ordinateurs de n’importe quelle taille, libérant ainsi cette nouvelle technologie puissante des contraintes liées à la taille et au coût des superordinateurs. Les logiciels et les calculs quantiques n’auront pas besoin d’être effectués par le biais d’une connexion rapide à un ordinateur central ou au cloud, ils seront effectués sur place, là où ils sont nécessaires. C’est assez perturbant.
Quantum Brilliance a été fondée en 2019 sur la base des recherches entreprises par ses fondateurs à l’Université nationale australienne, où ils ont développé des techniques pour fabriquer, mettre à l’échelle et contrôler des qubits intégrés dans du diamant synthétique.
Il s’agit d’une affaire complexe, nous allons donc nous jeter sur le livre blanc de Quantum Brilliance pour une description technique : « Les ordinateurs quantiques en diamant à température ambiante se composent d’un réseau de nœuds de processeurs. Chaque nœud de processeur est composé d’un centre azote lacune (NV) (un défaut dans le réseau du diamant consistant en un atome d’azote de substitution adjacent à une lacune) et d’un groupe de spins nucléaires : le spin nucléaire intrinsèque de l’azote et jusqu’à ~4 impuretés voisines de spin nucléaire 13C.
Les spins nucléaires agissent comme les qubits de l’ordinateur, tandis que les centres NV agissent comme des bus quantiques qui servent de médiateurs pour l’initialisation et la lecture des qubits, ainsi que pour les opérations multi-qubits intra et inter-nœuds. Le calcul quantique est contrôlé par des champs radiofréquences, micro-ondes, optiques et magnétiques. »
Ce domaine en soi n’est pas nouveau – en effet, les qubits quantiques à température ambiante existent expérimentalement depuis plus de 20 ans. La contribution de Quantum Brilliance à ce domaine consiste à trouver comment fabriquer ces minuscules objets de manière précise et reproductible, ainsi qu’à miniaturiser et à intégrer les structures de contrôle nécessaires pour faire entrer et sortir les informations des qubits – les deux domaines clés qui ont empêché ces dispositifs de dépasser quelques qubits à ce jour.
Un accélérateur quantique prévu pour 2025 offrira environ 50 qubits dans une unité de la taille d’une carte graphique.
« Le diamant étant un matériau très rigide », explique Mark Luo, cofondateur et directeur de l’exploitation de QB, « il est vraiment capable de maintenir un grand nombre de ces propriétés en place – qui permettent à ces phénomènes quantiques d’être plus stables par rapport aux autres systèmes existants. Compte tenu de cette rigidité, nous pouvons en fait tirer parti d’un grand nombre de systèmes de contrôle classiques préexistants ».
« La propriété fondamentale que nous utilisons », explique Mark Mattingley-Scott, qui supervisera les opérations de la société en Allemagne, « est le spin nucléaire, et non le spin d’un électron. Un atome se soucie beaucoup moins des vibrations thermiques, par exemple, qu’un électron, de sorte que nous pouvons les faire fonctionner à température ambiante. Dans la vacance d’azote, il y a un trou, et c’est par ce biais que nous pouvons interagir avec les qubits. Les interactions sont multiples, ce qui nous permet d’obtenir potentiellement plusieurs qubits par lacune. «
La société a déjà construit un certain nombre de « kits de développement quantique » dans des unités de rack, chacun avec environ 5 qubits pour travailler, et elle les place déjà chez des clients, pour l’évaluation comparative, l’intégration, les possibilités de co-conception et pour permettre aux entreprises de commencer à travailler sur les avantages qu’ils présenteront lorsqu’ils arriveront sur le marché sous la forme d’un produit « accélérateur quantique » d’environ 50 qubits, vers 2025. « Nous pensons que d’ici dix ans, nous pourrons même produire un système quantique sur puce pour les appareils mobiles », explique Mark Luo. Parce que c’est une véritable technologie de science des matériaux qui peut y parvenir. »
« En termes de déploiement commercial, poursuit Luo, nous avons le Pawsey Supercomupting Center, qui est actuellement le plus grand centre de supercalcul de l’hémisphère sud, copropriété du CSIRO et de quelques autres universités. Nous avons créé le premier centre d’innovation quantique de supercalculateur en Australie et nous avons mis en place un programme Pawsey Pioneer dans le cadre duquel l’industrie et les groupes de recherche peuvent utiliser notre système d’exploitation quantique.
Nous allons déployer à Pawsey le premier système de calcul quantique en diamant à température ambiante au premier trimestre 2022. Nous devions l’installer ce mois-ci, mais en raison des retards du COVID, nous n’avons pas pu franchir les frontières de l’Australie occidentale ! Nous prévoyons d’en déployer également en Allemagne, c’est pourquoi nous avons la chance que Mark nous rejoigne pour diriger nos opérations en Europe et en Allemagne. »
Quelles sont leurs performances par rapport aux ordinateurs quantiques supraconducteurs traditionnels ?
« Extrêmement bien, affirme M. Mattingley-Scott. « Il y a un chiffre de mérite que l’on peut appliquer à la capacité des qubits individuels à être utiles, et c’est le temps de cohérence. Les qubits supraconducteurs conservent généralement leur cohérence pendant 100 à 150 microsecondes. Dans les diamants à température ambiante, nous parlons de millisecondes. C’est mille fois plus long, et cela signifie que vous pouvez faire beaucoup plus. C’est une partie de l’équation ; l’autre partie est le taux d’erreur. Les Qubits, fondamentalement, ont un taux d’erreur, avant même de perdre leur cohérence et de tomber dans le pur hasard. Les taux d’erreur que nous obtenons avec les qubits à lacune d’azote sont très, très bons. »
« Donc, poursuit-il, la réponse de base est oui, ce sont des qubits très puissants, et ce que vous pouvez faire avec ces qubits sera plus puissant que ce que vous pouvez faire avec des qubits supraconducteurs, parce que vous avez plus de temps pour travailler avec eux, et ils conservent leur état. »
Alors, quand l’un de ces objets atteindra-t-il le cap légendaire de la suprématie quantique, en devenant plus puissant que n’importe quel superordinateur pour résoudre des tests de laboratoire spécifiques ? Dans le cas présent, ce n’est pas l’objectif. « Nous avons une feuille de route claire sur cinq ans pour produire quelque chose que nous appelons l’utilité quantique », souligne Mark Luo. « Les autres systèmes ne peuvent pas miniaturiser, nous pouvons miniaturiser. Il s’agit donc pour nous de produire un ordinateur quantique ou un accélérateur quantique plus performant qu’un ordinateur classique de même taille, poids et puissance. Il s’agit de surpasser les composants d’un superordinateur plutôt que de surpasser des superordinateurs entiers, afin d’offrir une utilité commerciale. »
Les accélérateurs quantiques à diamant à température ambiante pourraient devenir un simple composant d’un PC, offrant des capacités quantiques lorsqu’il y a un avantage.
La vision de Quantum Brilliance est de faire des qubits une corde supplémentaire facilement intégrable à l’arc de tout ordinateur. Un peu comme les cartes graphiques haut de gamme d’aujourd’hui, produites en masse pour fonctionner dans une large gamme de systèmes à des coûts unitaires faibles. Les développeurs de logiciels peuvent alors utiliser l’informatique traditionnelle là où elle est avantageuse et l’informatique quantique là où elle est la plus efficace.
Mark Mattingley-Scott cite le développement de médicaments pharmacologiques, le développement d’électrodes de batterie et la production d’énergie comme autant de domaines où ce type d’équipement pourrait avoir un impact immédiat. Il pourrait s’agir de l’algèbre linéaire et des opérations de type matriciel qui sous-tendent une grande partie de l’apprentissage automatique et de l’IA – un domaine en pleine expansion en soi – et il pourrait être très utile dans les tâches d’optimisation, par exemple pour tenter de réduire la consommation d’énergie dans l’ensemble de la structure commerciale mondiale d’une grande entreprise de logistique.
« L’impact commercial potentiel de l’informatique quantique, assure Mark Mattingley-Scott, est qu’elle va changer fondamentalement presque tout ce que nous faisons, et la façon dont nous le faisons. J’ai eu une longue carrière de 32 ans chez IBM, et pendant les cinq dernières années, j’ai dirigé le programme Ambassadeur d’IBM, essentiellement un canal de prévente et de vente de technologie pour l’informatique quantique. J’avais l’œil sur ce qui se passait avec les diamants, car si vous pouvez supprimer l’obligation de refroidir votre ordinateur par cryogénie, la proposition de valeur s’en trouve complètement modifiée. J’avais donc Quantum Brilliance sur mon radar depuis un certain temps, il n’y a aucune autre entreprise qui travaille sur une proposition de valeur comme celle-ci. Et quand l’opportunité s’est présentée, c’est pourquoi je l’ai rejoint. »
« Avec notre plan quinquennal pour parvenir à cet accélérateur quantique de la taille d’une carte graphique, poursuit-il, il y a beaucoup d’incertitudes et de variables inconnues. Mais nous n’attendons pas une nouvelle technologie magique. Il n’y a pas de lacunes. Nous savons comment parvenir à ce dispositif, il nous suffit de retrousser nos manches et de le faire. Et industrialiser les choses, et obtenir les rendements et les capacités et tout le reste. Mais c’est essentiellement le domaine dans lequel l’industrie des semi-conducteurs s’est montrée très performante, et nous allons en tirer parti. Je ne peux donc pas vous donner de dates exactes, mais c’est vers cela que nous nous dirigeons, vers une activité de volume de type industrialisé. »
