À l’intérieur de cette puce quantique, la mémoire vibre
La nouvelle puce quantique mise au point par le physicien Yiwen Chu de l’ETH Zurich contient des résonateurs mécaniques, de minuscules composants qui se mettent à vibrer lors du stockage d’informations. La puce mesure environ 7,5 millimètres de long, 2,5 millimètres de large et 1 millimètre de haut, soit à peu près la largeur d’un petit ongle. (Image : Groupe des systèmes quantiques hybrides / ETH Zurich)
Les ordinateurs quantiques présentent encore des limites en matière de stockage d’informations. Des chercheurs de l’ETH Zurich se tournent désormais vers les vibrations mécaniques plutôt que vers la mémoire électromagnétique. Leur nouvelle mémoire vibratoire permet de stocker beaucoup plus d’informations dans un volume réduit. Associée à une architecture informatique adaptée, elle permet également de résoudre efficacement des problèmes de calcul complexes.
| En Bref: – La physicienne Yiwen Chu de l’ETH Zurich et ses collègues ont mis au point une nouvelle approche de l’informatique quantique. Pour la première fois, elle combine des dispositifs de mémoire vibrants – appelés résonateurs mécaniques – avec les unités de calcul centrales : les qubits supraconducteurs. – L’architecture de cet ordinateur diffère des approches précédentes en informatique quantique. L’information est stockée dans une mémoire de travail sous forme de vibrations, ce qui augmente considérablement la capacité de stockage du système. – Yiwen Chu et son équipe démontrent également que leur approche permet d’effectuer avec succès des opérations de calcul fondamentales ainsi que des calculs quantiques plus complexes. Ce faisant, ils apportent la preuve de la faisabilité de leur approche et jettent les bases d’un ordinateur quantique entièrement programmable, capable, en principe, de réaliser n’importe quel calcul quantique. |
Cet ordinateur fonctionne presque comme une guitare. La physicienne quantique Yiwen Chu et son équipe de l’ETH Zurich utilisent de minuscules vibrations mécaniques pour stocker et traiter l’information. Ces vibrations se comportent de manière similaire aux cordes vibrantes d’une guitare, qui produisent des notes de musique.
Ce qui ressemble à de la musique est en réalité une manifestation de la physique quantique. Les vibrations sur lesquelles travaillent Chu et son équipe sont bien au-delà du spectre de l’audition humaine. Elles se produisent au cœur d’une puce quantique, où elles servent à stocker l’information quantique.
Ces vibrations permettent à l’ordinateur quantique de Chu d’effectuer ses calculs avec une efficacité optimale tout en exploitant au mieux sa mémoire de travail. « L’interaction entre le processeur quantique et la mémoire quantique constitue un fondement essentiel pour faire des ordinateurs quantiques un outil puissant et fiable capable d’effectuer des calculs impossibles avec les ordinateurs classiques », explique Yiwen Chu.
Cette professeure de physique mène des recherches sur l’information quantique et les architectures des ordinateurs quantiques. Son équipe a récemment présenté dans la revue Science une nouvelle approche qui sépare le calcul de la mémoire de travail de manière beaucoup plus nette que de nombreux modèles d’informatique quantique existants, qui intègrent étroitement traitement et stockage.
Nouvelle mémoire de travail quantique inspirée de l’informatique numérique
Pour ce faire, Chu et son équipe ont développé une nouvelle architecture d’ordinateur quantique, inspirée des ordinateurs numériques classiques. Dans ces systèmes, une unité centrale de traitement (CPU) traite les données stockées séparément dans une mémoire de travail, appelée mémoire vive (RAM) en informatique classique. L’architecture de l’ordinateur définit l’organisation de ses différents composants afin de traiter les données le plus efficacement possible.
Dans l’approche de Chu, un qubit supraconducteur joue le rôle d’unité centrale de traitement et de contrôle, à l’instar du processeur (CPU) d’un ordinateur. Simultanément, l’information à traiter est stockée temporairement dans une mémoire quantique, la rendant disponible tout au long du calcul.
« Dans notre mémoire de travail quantique, cependant, l’information n’est pas stockée électromagnétiquement – comme c’est généralement le cas aujourd’hui – mais plutôt sous forme de vibrations mécaniques », explique Chu.
« Notre puce quantique contient de minuscules composants qui se mettent à vibrer lorsqu’ils stockent des informations. »
Yiwen Chu, professeur de systèmes quantiques hybrides
Pour effectuer un calcul, le qubit accède à une information – une vibration – dans la mémoire quantique, la traite et la modifie, puis la réécrit. « Concrètement, notre puce quantique contient des résonateurs mécaniques, de minuscules composants qui se mettent à vibrer lors du stockage d’informations », explique Chu.
Chaque vibration emmagasine une information
À l’instar des cordes d’une guitare, qui produisent différentes sonorités selon leur vibration, les résonateurs peuvent également vibrer de multiples façons ; les physiciens les appellent modes de vibration. En informatique, ces modes correspondent au nombre d’emplacements mémoire disponibles. Autrement dit : chaque type de vibration stocke des informations différentes.
Au sein des modes de vibration, différents états vibratoires peuvent être réalisés. Ceux-ci correspondent à l’état spécifique d’une vibration à un instant donné, dans lequel l’information est stockée de manière à pouvoir être consultée et réécrite facilement. Du point de vue de la théorie de l’information, ces états correspondent au contenu des emplacements mémoire.
En termes de physique quantique, ces états représentent la différence cruciale avec une guitare – et aussi avec un ordinateur. Les vibrations d’une corde obéissent aux lois de la physique classique, qui décrivent notre monde quotidien. En revanche, dans une puce quantique, ce sont les lois de la mécanique quantique qui s’appliquent, régissant le comportement des particules les plus infimes.
Dans ce contexte, les états peuvent coexister en superposition et être intriqués – une forme de « et/et » qui n’existe pas en physique classique. De même, les ordinateurs numériques ne fonctionnent qu’avec deux états clairement distincts : 0 ou 1.
Cette capacité à superposer des états ou à les intriquer ouvre de nouvelles perspectives pour le calcul quantique. La principale promesse des ordinateurs quantiques réside donc dans leur capacité, un jour, à résoudre certains problèmes extrêmement complexes plus efficacement que les ordinateurs classiques, voire à s’attaquer à des tâches que les ordinateurs conventionnels sont totalement incapables de résoudre.
L’avantage : plus de vibrations signifie plus de mémoire
Pour que les ordinateurs quantiques puissent calculer et stocker des informations de manière fiable, les chercheurs doivent pouvoir contrôler et manipuler précisément ces états. Ceci est possible lorsque l’unité de traitement et la mémoire de travail sont fortement couplées.
Dans le système de Chu, cela fonctionne comme suit : les résonateurs stockent l’information correspondante dans un état vibrationnel spécifique. Lorsque le qubit récupère une information de la mémoire de travail quantique, il traite et modifie cet état vibrationnel, puis le stocke à nouveau.
Jusqu’à présent, de nombreux modèles d’informatique quantique ont combiné la mémoire électromagnétique et les qubits supraconducteurs, car ces deux éléments – pris individuellement et conjointement – sont bien étudiés et éprouvés. Les technologies de mémoire électromagnétique permettent de lire, de modifier et de contrôler les états quantiques avec une très grande précision.
Leur principal inconvénient : leur taille relativement importante et leur besoin considérable en espace risquent de freiner la transformation des dispositifs expérimentaux de laboratoire en ordinateurs quantiques commercialisables pour la recherche et l’industrie. C’est là qu’intervient Chu.
Les résonateurs mécaniques, en revanche, sont nettement plus petits et plus compacts. Ils offrent également une capacité de stockage supérieure, car ils supportent de nombreux modes de vibration différents et peuvent donc stocker simultanément davantage d’informations que la mémoire électromagnétique. De plus, ils maintiennent la stabilité des états quantiques plus longtemps, sans que les vibrations ne s’atténuent ni que l’information ne se perde. Cela prolonge la durée de stockage.
La nouvelle architecture informatique réussit les tests de résistance.
Dans le domaine scientifique, Chu a démontré expérimentalement pour la première fois que des résonateurs mécaniques peuvent être couplés et combinés avec succès à des qubits supraconducteurs pour effectuer des calculs quantiques. Ceci prouve la faisabilité de cette approche : les systèmes de mémoire vibrante peuvent constituer une alternative prometteuse aux méthodes électromagnétiques. La pérennité de cette méthode dépend désormais de sa capacité à être mise à l’échelle. Autrement dit, la puce quantique de Chu doit également fonctionner de manière fiable au sein de systèmes informatiques quantiques plus vastes, dotés de capacités de calcul accrues.
L’équipe de Chu poursuit ces recherches. Une preuve de concept a déjà été publiée dans Science : leur approche, qui consiste à intégrer des qubits et des résonateurs dans une nouvelle architecture informatique, est capable d’effectuer non seulement des tâches de calcul simples, mais aussi des tâches plus complexes.
Le groupe de recherche a testé la capacité de calcul de son approche en utilisant deux problèmes clés, qui figurent parmi les méthodes de calcul les plus importantes en informatique quantique : la transformée de Fourier quantique et la recherche de périodes.
« La transformée de Fourier quantique est une procédure de calcul fondamentale requise pour de nombreux algorithmes quantiques. L’algorithme de recherche de période que nous avons implémenté a servi de démonstration de la manière dont cette procédure peut être utilisée », explique Igor Kladaric, doctorant dans l’équipe de Chu et co-auteur de la publication.
Les deux méthodes nécessitent un système d’informatique quantique capable de contrôler, stocker et relier de manière cohérente et précise de nombreux états quantiques simultanément. Si tel est le cas, un ordinateur quantique est considéré comme fondamentalement capable de calcul – et c’est précisément ce que démontre l’approche de Chu.
Fondation pour un ordinateur quantique puissant
En principe, le système d’informatique quantique de Chu peut effectuer toutes les étapes de calcul fondamentales nécessaires à l’exécution de n’importe quel calcul quantique. Ceci démontre que cette approche est fondamentalement adaptée à la conception d’un ordinateur quantique programmable et à usage général.
Il reste encore un long chemin à parcourir avant qu’un ordinateur quantique suffisamment puissant et fiable puisse être utilisé dans la recherche et l’industrie. Cependant, l’approche de Chu représente un progrès très prometteur.