Des chercheurs ont conçu un circuit sur silicium à 4 bits quantiques qui réalise la fonction de "mélangeur" d'informations et mémoire à court terme. Et cet élément de base de l'ordinateur quantique peut être fabriqué en série !
On se fatigue à répéter que les éléments de base de l'ordinateur quantique, machine de rêve surpassant tout ordinateur classique, sont prêts : on arrive à matérialiser les "qubits" (bits quantiques) par des atomes, des ions ou des boucles supraconductrices, on sait aussi construire des portes logico-quantiques pour des opérations avec ces qubits...
Mais le plus difficile reste à faire : augmenter le nombre de qubits en jeu dans les opérations. Or une équipe de chercheurs allemands a développé une technologie pour microprocesseur, productible en série, qui permet de piéger et d'opérer sur 4 qubits à la fois. Dévoilée dans la revue Physical Review Letters, c'est un pas de plus vers la réalisation de la machine.
Le « qubit » et son explosion exponentielle
Parmi les arguments vantant l'ordinateur quantique, on évoque la possibilité d'encoder et traiter une grande quantité d'informations en une seule "opération", en s'appuyant sur deux étranges phénomènes quantiques : la "superposition d'états" et l'"intrication".
L'élément de base est le qubit. Dans l'informatique classique, le bit est une entité physique (tension électrique V) qui encode une seule information, « 0 » (V-) ou « 1 » (V+). Mais un qubit peut encoder simultanément les deux informations « 0 » et « 1 »...
De même, si deux bits classiques n'encodent qu'une seule information, par exemple « 00 » ou « 01 » ou « 10 » ou « 11 », un système de deux qubits peut encoder les quatre possibilités simultanément. Plus généralement, une chaîne de N qubits peut encoder 2N valeurs simultanément. On parle d'explosion exponentielle...
L'intérêt de ce travail
Effectuer une opération sur cette chaîne revient à en effectuer 2N sur une chaîne de bits classiques. Sachant que l'ordinateur fonctionne sur la base d'opérations logiques, où une chaîne (input) est transformée en une autre (output), la machine quantique est exponentiellement plus rapide que son homologue classique.
Une capacité extraordinaire mais... théorique. Car réussir à intriquer N qubits et à opérer sur l'ensemble sans qu'il perde sa "cohérence" (son caractère quantique) est une gageure. D'où l'intérêt de la publication des chercheurs allemands.
Ils ont en effet présenté un micro-circuit quantique à base d'"ions piégés", pouvant être produit en série, qui permet de manipuler individuellement 4 qubits afin de les intriquer, et de stocker le tout pendant environ une seconde.
Piège à ions sur silicium
Physiquement, le système contient quatre ions Ca+ piégés par un jeu de quatre champs électriques (ou pièges de Paul) le long d'une cavité à vide de plusieurs mm. Les ions sont séparés mais à l'aide de lasers ils peuvent être déplacés et mis en contact deux à deux pour s'intriquer quantiquement.
Une série de manips (décrites dans l'article) permet finalement d'obtenir un ensemble totalement intriqué même si les 4 ions se retrouvent séparés et répartis sur toute la cavité.
Ce système fonctionne donc comme un "intriquateur" de qubits et un "registre", ou mémoire à court terme : dans un ordinateur quantique en fonction, cette intrication permettrait d'obtenir l'effet "2N informations" (avec N=4). L'ensemble serait ensuite brièvement stocké avant d'être délivré pour le calcul.
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