Des chercheurs créent le premier processeur quantique logique et programmable

Les chercheurs de Harvard ont franchi une étape clé dans la quête d’une informatique quantique stable et évolutive, une technologie ultra-rapide qui permettra des avancées révolutionnaires dans divers domaines, notamment la médecine, la science et la finance.

L'équipe, dirigée par Mikhail Lukin, professeur de physique à l'Université Joshua et Beth Friedman et codirecteur de la Harvard Quantum Initiative, a créé le premier processeur quantique logique et programmable, capable de coder jusqu'à 48 qubits logiques et d'exécuter des centaines de qubits logiques. opérations de porte logiques, une grande amélioration par rapport aux efforts antérieurs.

Publié dans Nature, les travaux ont été réalisés en collaboration avec Markus Greiner, professeur de physique George Vasmer Leverett ; des collègues du MIT ; et QuEra Computing, une société de Boston fondée sur la technologie des laboratoires de Harvard.

Le système est la première démonstration d’exécution d’algorithmes à grande échelle sur un ordinateur quantique à correction d’erreurs, annonçant l’avènement d’un calcul quantique précoce, tolérant aux pannes ou fiable et ininterrompu.

Lukin a décrit cette réalisation comme un possible point d'inflexion semblable aux premiers jours dans le domaine de l'intelligence artificielle : les idées de correction d'erreurs quantiques et de tolérance aux pannes, théorisées depuis longtemps, commencent à porter leurs fruits.

“Je pense que c'est l'un des moments où il est clair que quelque chose de très spécial se prépare”, a déclaré Lukin. “Même s'il reste encore des défis à relever, nous espérons que cette nouvelle avancée accélérera considérablement les progrès vers des ordinateurs quantiques utiles à grande échelle.”

Denise Caldwell, de la National Science Foundation, est d'accord.

“Cette percée est un tour de force de l'ingénierie et de la conception quantiques”, a déclaré Caldwell, directeur adjoint par intérim de la Direction des sciences mathématiques et physiques, qui a soutenu la recherche par le biais des programmes Physics Frontiers Centers et Quantum Leap Challenge Institutes de la NSF. “L'équipe a non seulement accéléré le développement du traitement de l'information quantique en utilisant des atomes neutres, mais a également ouvert une nouvelle porte à l'exploration de dispositifs à qubits logiques à grande échelle, qui pourraient apporter des avantages transformateurs à la science et à la société dans son ensemble.”

Cela a été un chemin long et complexe.

En informatique quantique, un bit quantique ou « qubit » est une unité d'information, tout comme un bit binaire en informatique classique. Depuis plus de deux décennies, les physiciens et les ingénieurs ont montré au monde que l’informatique quantique est, en principe, possible en manipulant des particules quantiques (qu’il s’agisse d’atomes, d’ions ou de photons) pour créer des qubits physiques.

Mais exploiter avec succès les bizarreries de la mécanique quantique à des fins de calcul est plus compliqué que simplement accumuler un nombre suffisamment grand de qubits, qui sont intrinsèquement instables et susceptibles de s’effondrer hors de leur état quantique.

Les véritables pièces du royaume sont ce qu'on appelle des qubits logiques : des ensembles de qubits physiques redondants et corrigés des erreurs, qui peuvent stocker des informations à utiliser dans un algorithme quantique. La création de qubits logiques en tant qu'unités contrôlables, comme les bits classiques, a constitué un obstacle fondamental dans ce domaine, et il est généralement admis que tant que les ordinateurs quantiques ne pourront pas fonctionner de manière fiable sur des qubits logiques, la technologie ne pourra pas vraiment décoller.

À ce jour, les meilleurs systèmes informatiques ont démontré un ou deux qubits logiques et une opération de porte quantique (semblable à une seule unité de code) entre eux.

La percée de l'équipe de Harvard s'appuie sur plusieurs années de travail sur une architecture informatique quantique connue sous le nom de réseau d'atomes neutres, lancée dans le laboratoire de Lukin. Il est désormais commercialisé par QuEra, qui a récemment conclu un accord de licence avec l'Office of Technology Development de Harvard pour un portefeuille de brevets basé sur les innovations développées par le groupe Lukin.

Le composant clé du système est un bloc d'atomes de rubidium ultra-froids et suspendus, dans lequel les atomes – les qubits physiques du système – peuvent se déplacer et être connectés en paires – ou “intriqués” – en cours de calcul.

Des paires d’atomes intriqués forment des portes, qui sont des unités de puissance de calcul. Auparavant, l’équipe avait démontré de faibles taux d’erreur dans ses opérations d’intrication, prouvant ainsi la fiabilité de son système de réseau d’atomes neutres.

Avec leur processeur quantique logique, les chercheurs démontrent désormais le contrôle parallèle et multiplexé d’un ensemble complet de qubits logiques, à l’aide de lasers. Ce résultat est plus efficace et évolutif que de devoir contrôler des qubits physiques individuels.

“Nous essayons de marquer une transition dans le domaine, vers le début des tests d'algorithmes avec des qubits corrigés des erreurs au lieu des qubits physiques, et d'ouvrir la voie à des appareils plus grands”, a déclaré Dolev Bluvstein, premier auteur de l'article, de la Griffin School of Arts and Sciences. doctorat étudiant dans le laboratoire de Lukin.

L'équipe continuera à travailler pour démontrer davantage de types d'opérations sur ses 48 qubits logiques et pour configurer son système pour qu'il fonctionne en continu, par opposition au cycle manuel comme c'est le cas actuellement.

Cette histoire est publiée avec l'aimable autorisation de la Harvard Gazette, le journal officiel de l'Université Harvard. Pour plus d’informations sur l’université, visitez Harvard.edu.