Un nouveau circuit d’ordinateur quantique « simplifié » enchevêtre un seul atome avec plusieurs photons.

Les ordinateurs quantiques pourraient un jour faire voler en éclats les vieux ordinateurs classiques ennuyeux, mais jusqu’à présent, leur complexité limite leur utilité. Des ingénieurs de Stanford viennent de faire la démonstration d’un nouveau modèle relativement simple d’ordinateur quantique dans lequel un seul atome est enchevêtré avec une série de photons pour traiter et stocker des informations.

Les ordinateurs quantiques exploitent le monde étrange de la physique quantique pour effectuer des calculs bien plus rapides que les ordinateurs traditionnels. Alors que les machines existantes stockent et traitent les informations sous forme de bits, c’est-à-dire de uns et de zéros, les ordinateurs quantiques utilisent des qubits, qui peuvent exister sous forme de un, de zéro ou d’une superposition de un et de zéro en même temps. Cela signifie que leur puissance augmente de façon exponentielle avec chaque qubit ajouté, ce qui leur permet de s’attaquer à des problèmes hors de portée des ordinateurs classiques.

Bien sûr, les ordinateurs quantiques présentent leurs propres défis. Tout d’abord, les effets quantiques sur lesquels ils fonctionnent sont sensibles aux perturbations telles que les vibrations ou la chaleur, de sorte que les ordinateurs quantiques doivent être maintenus à des températures proches du zéro absolu. Leur complexité est donc proportionnelle à la puissance de calcul de la machine. Ils deviennent donc physiquement plus grands et plus encombrants à mesure que la puissance de traitement augmente.

Mais l’équipe de Stanford affirme que sa nouvelle conception est d’une simplicité trompeuse. Il s’agit d’un circuit photonique réalisé à l’aide de quelques composants déjà disponibles – un câble à fibre optique, un séparateur de faisceau, deux commutateurs optiques et une cavité optique – et il permet de réduire le nombre de portes logiques physiques nécessaires.

« Normalement, si l’on voulait construire ce type d’ordinateur quantique, il faudrait prendre des milliers d’émetteurs quantiques potentiels, les rendre tous parfaitement indiscernables, puis les intégrer dans un circuit photonique géant », explique Ben Bartlett, auteur principal de l’étude. « Alors qu’avec cette conception, nous n’avons besoin que d’une poignée de composants relativement simples, et la taille de la machine n’augmente pas avec la taille du programme quantique que vous voulez exécuter. »

La nouvelle conception est composée de deux parties principales : un anneau qui stocke les photons, et une unité de diffusion. Les photons représentent des qubits, et la direction dans laquelle ils se déplacent autour de l’anneau détermine si leur valeur est égale à un ou à zéro – ou aux deux s’ils se déplacent dans les deux directions à la fois, 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, un état quantique dans lequel les deux particules ne peuvent plus être décrites séparément, et les changements apportés à l’une d’elles affecteront sa partenaire, quelle que soit la distance qui les sépare.

En pratique, une fois que le photon est retourné dans l’anneau de stockage, il peut être « écrit » en manipulant l’atome avec un laser. L’équipe affirme que l’atome 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.

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

Fait important, ce système devrait être capable 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 », souligne Ben Bartlett. « Alors que dans ce cas, il n’est pas nécessaire de modifier le matériel – il suffit de donner à la machine un jeu d’instructions différent. »

Mieux encore, les systèmes d’ordinateurs quantiques photoniques peuvent fonctionner à température ambiante, ce qui supprime l’encombrement ajouté par les systèmes de refroidissement extrêmes.

https://www.osapublishing.org/optica/fulltext.cfm?uri=optica-8-12-1515&id=465446

https://news.stanford.edu/2021/11/29/simpler-design-quantum-computers/