Pendant des décennies, l’informatique quantique a suscité un vif intérêt, mais elle a également été confrontée à des défis majeurs, notamment le maintien des qubits à des températures extrêmement basses, juste au-dessus du zéro absolu. Ces températures sont en effet nécessaires pour exploiter les phénomènes quantiques qui confèrent aux ordinateurs quantiques leurs capacités de calcul uniques.
Des morceaux…
Dans le monde de l’informatique, deux grandes catégories de machines se distinguent : les ordinateurs classiques qui dominent le paysage technologique depuis des décennies et les ordinateurs quantiques, une nouvelle génération de machines promettant des capacités informatiques révolutionnaires. Pour comprendre les défis actuels et les avancées futures, il est essentiel de comprendre ces deux systèmes.
Un ordinateur classique fonctionne selon des principes de traitement de l’information bien établis. Au cœur de cette machine se trouvent les morceauxles unités fondamentales de données. Chaque bit peut exister dans l’un des deux états : 0 ou 1. Ils représentent respectivement l’absence ou la présence d’un signal électrique. Ces bits sont les éléments de base avec lesquels toutes les opérations et manipulations de données sont construites.
Le fonctionnement d’un ordinateur classique repose alors sur des circuits électroniques complexes, tels que des processeurs, des mémoires et des dispositifs de stockage qui manipulent et transmettent ces bits selon des instructions programmées dans le logiciel. Les données sont représentées et traitées séquentiellement, une étape à la fois, selon des algorithmes définis.
Cette approche classique a fait ses preuves dans une multitude de domaines, depuis les calculs mathématiques jusqu’aux applications multimédias en passant par les opérations bancaires et commerciales. Cependant, pour certains problèmes complexes, cette approche atteint ses limites en raison de son caractère séquentiel, ce qui a suscité l’intérêt pour une nouvelle approche : l’informatique quantique.
…aux qubits
Contrairement à son homologue classique, un ordinateur quantique profite des phénomènes étranges de la mécanique quantique pour effectuer des calculs. Au cœur de cette machine se trouvent qubitsles unités d’information quantique. Contrairement aux bits classiques, un qubit peut exister dans un état de superposition, représentant à la fois 0 et 1 simultanément grâce aux propriétés quantiques de la matière.
De plus, les qubits peuvent être intriqués, ce qui signifie que l’état de l’un peut être lié à celui de l’autre, même s’ils sont spatialement séparés. Cette propriété permet aux ordinateurs quantiques d’explorer de manière exponentielle un grand nombre de possibilités en parallèle, offrant ainsi un potentiel de calcul qui dépasse de loin les capacités des ordinateurs classiques pour certaines tâches spécifiques.
Plusieurs contraintes avec les qubits et l’informatique quantique
Malgré leurs promesses, la manipulation des qubits reste difficile. Considérez-les comme de minuscules particules quantiques, dont l’état peut être modifié ou altéré par le moindre changement dans son environnement. Les qubits sont donc incroyablement sensible aux interférences des facteurs externes tels que les variations du champ magnétique, les fluctuations de température ou encore les vibrations provoquées par les activités humaines à proximité.
Cette interférence perturbe l’état des qubits, les faisant sortir de leur état délicat de superposition et provoquant potentiellement erreurs dans les calculs. Ces erreurs sont particulièrement problématiques dans les calculs quantiques complexes où de nombreuses opérations sont effectuées en parallèle sur de nombreux qubits. Même une petite erreur dans l’un des qubits peut se propager et compromettre l’ensemble du calcul, réduisant ainsi la fiabilité et l’efficacité de l’ordinateur quantique.
Pour garantir des résultats précis et fiables, il est donc essentiel de maintenir un environnement hautement contrôlé et isolé, ce qui nécessite des dispositifs de confinement sophistiqués et des conditions opératoires très spécifiques.
Températures extrêmes
Ces conditions comprennent, entre autres, températures extrêmement basses, juste au-dessus du zéro absolu (0 Kelvin ou -273,15°C). À ces températures, l’agitation thermique est en effet minimisée, réduisant ainsi les vibrations moléculaires et les fluctuations du champ magnétique qui pourraient perturber les qubits. Les propriétés quantiques des qubits, telles que l’état de superposition et l’intrication, peuvent ainsi être conservées plus longtemps, ce qui est essentiel pour réaliser des calculs quantiques précis et fiables.
De plus, certains matériaux utilisés pour construire les qubits, comme les supraconducteurs, présentent des propriétés optimales à des températures extrêmement basses. En les refroidissant près du zéro absolu, ces matériaux deviennent alors supraconducteurs, c’est-à-dire qu’ils conduisent l’électricité sans aucune résistance, ce qui est essentiel au fonctionnement des qubits.
Naturellement, tout cela nécessite des dispositifs de réfrigération massifs et complexes, ce qui pose un défi logistique et énergétique important pour la construction et l’exploitation d’ordinateurs quantiques.
Une avancée majeure dans l’informatique quantique
Dans une étude récente publiée dans , une équipe de chercheurs a cependant démontré qu’un certain type de qubit, basé sur les spins d’électrons individuels, peut fonctionner à des températures autour de 1K, ce qui équivaut à à -272,15 degrés Celsius. Nous sommes donc à un degré au-dessus du zéro absolu. Cela peut paraître peu, mais dans ce métier, la différence est énorme.