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Les ordinateurs quantiques à température ambiante sont d’actualités !

Selon les scientifiques du laboratoire de recherche de l’armée américaine, les circuits d’ordinateurs quantiques qui ne nécessiteront plus de températures extrêmement froides pour fonctionner pourraient bientôt devenir une réalité dans une dizaine d’années.

Pendant de nombreuses années, la technologie quantique à l’état solide fonctionnant à température ambiante a semblé être farfelue. Bien que l’utilisation de cristaux transparents avec des non-linéarités optiques ait évolué comme le moyen le plus puissant pour atteindre ce jalon, la probabilité d’un tel système reste un mystère.

Aujourd’hui, la validité de cette méthode a été officiellement confirmée par des chercheurs de l’armée. Le Dr Kurt Jacobs, du laboratoire de recherche de l’armée de terre du Commandement du développement des capacités de combat de l’armée américaine, en collaboration avec le Dr Mikkel Heuck et le professeur Dirk Englund du Massachusetts Institute of Technology (MIT), est devenu le premier chercheur à démontrer la viabilité d’une porte à logique quantique contenant des cristaux optiques et des circuits photoniques.

Si les futurs appareils utilisant les technologies quantiques doivent être refroidis à des températures très basses, ils seront alors chers, encombrants et gourmands en énergie. Nos recherches visent à développer les futurs circuits photoniques qui seront capables de manipuler l’enchevêtrement nécessaire aux dispositifs quantiques à température ambiante.

Dr Mikkel Heuck, Institut de technologie du Massachusetts

La technologie quantique offre un éventail de développements à venir dans le domaine de la télédétection, des communications et de l’informatique.

Les ordinateurs classiques conventionnels fonctionnent avec des données entièrement déterminées pour accomplir n’importe quel type de travail. Ces données sont conservées en plusieurs bits, chaque bit étant activé ou désactivé. Lorsqu’une entrée spécifiée par un nombre de bits est envoyée à un ordinateur classique, cette entrée est traitée par l’ordinateur pour générer une réponse, qui est également spécifiée par un nombre de bits. Une entrée ne sera traitée par un ordinateur traditionnel qu’à un moment donné.

D’autre part, les ordinateurs quantiques conservent les données en qubits qui peuvent exister dans un état inhabituel, lorsqu’elles existent simultanément dans les états activé et désactivé. Cela permet à un ordinateur quantique d’analyser les réponses à plusieurs entrées simultanément.

Si l’ordinateur quantique ne peut pas produire de sortie pour toutes les réponses en même temps, il peut néanmoins produire une sortie pour les associations entre ces réponses, ce qui lui permet de résoudre certains problèmes relativement plus rapidement que l’ordinateur traditionnel.

Malheureusement, l’un des principaux inconvénients des systèmes quantiques est la délicatesse des états spéciaux des qubits. La majorité du matériel potentiel destiné à la technologie quantique doit être maintenu à des températures très froides – proches de 0 K – afin que les états étranges ne soient pas endommagés lors de l’interaction avec le réglage de l’ordinateur.

Toute interaction d’un qubit avec tout autre élément de son environnement commencera à fausser son état quantique. Par exemple, si l’environnement est un gaz de particules, le fait de le garder très froid permet aux molécules de gaz de se déplacer lentement, de sorte qu’elles ne s’écrasent pas autant dans les circuits quantiques.

Dr Kurt Jacobs, Laboratoire de recherche de l’armée, Commandement du développement des capacités de combat de l’armée américaine

Si les scientifiques ont fait de nombreuses tentatives pour surmonter ce problème, aucune solution concrète n’a encore été trouvée. Pour l’instant, les circuits photoniques intégrant des cristaux optiques non linéaires sont devenus la seule option viable à l’informatique quantique avec des systèmes à semi-conducteurs à température ambiante.

Les circuits photoniques sont un peu comme les circuits électriques, sauf qu’ils manipulent la lumière au lieu de signaux électriques. Pour Par exemple, nous pouvons créer des canaux dans un matériau transparent dans lesquels les photons se déplacent, un peu comme des signaux électriques qui se déplacent le long de fils.

Dirk Englund, professeur, Institut de technologie du Massachusetts

Les systèmes quantiques qui utilisent des photons peuvent contourner la limitation des températures froides, contrairement aux systèmes quantiques qui utilisent des atomes ou des ions pour préserver les données. Mais pour effectuer des opérations logiques, les photons doivent encore communiquer avec d’autres photons. À ce stade, les cristaux optiques non linéaires entrent en jeu.

Les scientifiques peuvent concevoir des cavités dans les cristaux qui retiennent momentanément les photons à l’intérieur. Grâce à cette technique, le système quantique peut déterminer deux états potentiels différents pouvant être maintenus par un qubit, c’est-à-dire une cavité sans photon (off) et une cavité avec un photon (on). Ces qubits peuvent ensuite former des portes de logique quantique qui produisent finalement le cadre des états inhabituels.

Cela signifie que les scientifiques peuvent utiliser l’état inconnu de la présence ou non d’un photon à l’intérieur d’une cavité cristalline pour indiquer un qubit. Les portes de la logique quantique agissent sur une paire de qubits simultanément et peuvent produire un “enchevêtrement quantique” entre ces qubits. Un tel enchevêtrement est automatiquement produit dans un ordinateur quantique et est nécessaire aux méthodes quantiques pour les applications de détection.

Mais les chercheurs ont appliqué le concept pour développer des portes à logique quantique en utilisant des cristaux optiques non linéaires, principalement pour la spéculation – jusqu’à ce stade. Bien qu’elle ait démontré un potentiel énorme, des doutes persistent quant à la faisabilité même de cette technique pour les portes logiques.

L’utilisation de cristaux optiques non linéaires restait un mystère jusqu’à ce que l’équipe de recherche du MIT et le laboratoire de l’armée présentent une méthode pour réaliser une porte logique quantique avec cette technique, en utilisant des pièces de circuit photonique bien connues.

Le problème était que si un photon se déplace dans un canal, il a une “onde-paquet” d’une certaine forme“, a ajouté M. Jacobs. “Pour une porte quantique, il faut que les paquets d’ondes photoniques restent les mêmes après le fonctionnement de la porte.

Jacobs a poursuivi : “Depuis les non-linéarités déforment les paquets d’ondes, la question était de savoir si vous pouviez charger le paquet d’ondes dans des cavités, les faire interagir via une non-linéarité, et ensuite émettre les photons à nouveau afin qu’ils aient les mêmes paquets d’ondes qu’au départ.”

Dès que la porte logique quantique a été mise au point, les scientifiques ont effectué diverses simulations informatiques du fonctionnement de la porte pour montrer qu’elle pouvait théoriquement fonctionner correctement. La fabrication réelle d’une porte logique quantique avec cette technique nécessitera dans un premier temps des améliorations considérables de la qualité des composants photoniques spécifiques, ont déclaré les scientifiques.

Sur la base des progrès réalisés au cours de la dernière décennie, nous pensons qu’il faudra environ dix ans pour que les améliorations nécessaires soient réalisées. Cependant, le processus de chargement et de montage d’un paquet d’ondes sans distorsion est une chose que nous devrions pouvoir réaliser avec la technologie expérimentale actuelle, et c’est donc une expérience sur laquelle nous travaillerons la prochaine fois que nous aurons besoin de plus de temps.“, a conclu M. Heuck.

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