Construire la prochaine génération d’ordinateurs avec des émetteurs quantiques et des lasers infrarouges

L’histoire des ordinateurs est liée à celle de la technologie moderne. Tout a commencé au XIXe siècle, lorsqu’en 1801, un marchand et inventeur français, Marie Jacquard, a inventé un métier à tisser avec des cartes en bois perforées pour tisser automatiquement des motifs de tissu.

Cependant, le progrès le plus important dans le calcul automatisé de ce siècle s’est produit lorsque le mathématicien anglais Charles Babbage a conçu une machine de calcul à vapeur capable de calculer des tables de nombres. L’invention la plus révolutionnaire du XXe siècle est survenue en 1936 avec Alan Turing, scientifique et mathématicien britannique, qui a introduit une machine universelle, plus tard appelée la machine de Turing. Les scientifiques affirment que le concept des ordinateurs modernes repose fondamentalement sur les idées d’Alan Turing.

Depuis lors, c’est une chaîne de progrès. En 1939, David Packard et Bill Hewlett ont fondé la société Hewlett Packard, et en 1953, Grace Hopper a développé le premier langage informatique, le COBOL, suivi de John Backus et son équipe de programmeurs chez IBM qui ont publié un article décrivant leur nouveau langage de programmation, le FORTRAN.

Le flux d’inventions enrichissant la technologie informatique au fil des ans s’est concentré sur plusieurs aspects. Parfois, il s’agissait du développement d’un langage ou d’un logiciel révolutionnaire et, d’autres fois, d’un matériel crucial. De telles inventions continuent de se produire, aidant à construire la prochaine génération d’ordinateurs, quelque chose d’authentiquement « futuriste », au sens le plus vrai du terme.

Dans les segments suivants, nous examinerons deux de ces inventions impliquant des émetteurs quantiques et des lasers infrarouges. 

Vers une percée majeure: un ordinateur quantique évolutif

Cette avancée provient d’une équipe de chercheurs dirigée par le Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab). Les chercheurs affirment avoir réussi leur tentative de utiliser une couche femtoseconde pour créer et « annihiler » des qubits en dopant le silicium avec de l’hydrogène. Les chercheurs ont souligné qu’ils pouvaient réaliser cet exercice à la demande et avec précision. 

Mais, pour pouvoir saisir pleinement l’importance de la recherche, nous devons savoir ce que sont les qubits et pourquoi ils sont importants !

La nécessité d’assembler des milliards de qubits

Quantum computers could prove pathbreaking in their ability to solve problems a million times faster than some of the most advanced supercomputers currently available. These machines have the potential to usher in revolutionary breakthroughs in areas such as healthcare, pharmaceuticals, and artificial intelligence. But for all these to happen, the industry would have to devise a way to string together billions of qubits ou bits quantiques, leading to the ultimate development of a highly efficient network of quantum computers.

La recherche a maintenant montré une façon de renforcer les ordinateurs quantiques en utilisant des qubits optiques programmables ou des « qubits spin‑photon » capables de connecter des nœuds quantiques à travers un réseau distant. 

En expliquant l’importance de la recherche et les résultats obtenus, Kaushalya Jhuria, chercheuse postdoctorale dans la division Accelerator Technology & Applied Physics (ATAP) du Berkeley Lab, a fait la remarque suivante:

« Pour créer une architecture ou un réseau quantique évolutif, nous avons besoin de qubits qui peuvent se former de manière fiable à la demande, aux emplacements souhaités, afin que nous sachions où le qubit se trouve dans un matériau. Et c’est pourquoi notre approche est cruciale. Parce qu’une fois que nous savons où se situe un qubit spécifique, nous pouvons déterminer comment connecter ce qubit avec d’autres composants du système et créer un réseau quantique. »

Mais comment la recherche atteint‑elle cet objectif ? Elle le fait en formant des qubits dans le silicium avec un contrôle programmable. 

L’histoire des « centres colorés » du silicium et des « qubits spin‑photon »

Grâce au soutien du Office of Science du DOE, l’étude a utilisé un environnement gazeux pour créer des défauts programmables appelés « centres colorés » dans le silicium. Ces centres colorés sont des candidats pour les « qubits spin‑photon » ou des qubits de télécommunications spéciaux.

Le qubit quantique est l’unité de base de l’information quantique. Cette plus petite composante d’un système d’information quantique encode les données en 1, 0 ou tout ce qui se trouve entre les deux, ce qui est appelé superposition. Les qubits spin‑photon, quant à eux, émettent des photons capables de transporter l’information encodée dans le spin d’électron sur de longues distances.

Maintenant, pour former ces qubits spéciaux qui peuvent aider à soutenir un réseau quantique sécurisé avec précision, l’étude a utilisé un laser ultrarapide capable d’émettre des impulsions d’énergie en quelques femtosecondes — chaque impulsion aussi brève qu’un quadrillionième de seconde, ciblée sur une zone pas plus grande qu’une particule de poussière.

En sondant les signaux optiques (photoluminescence) des centres colorés résultants à l’aide d’un détecteur proche infrarouge dans le but de les caractériser, l’équipe a découvert un centre Ci, qui est un émetteur quantique. Le centre Ci possède une structure simple et des propriétés de spin prometteuses tout en étant stable à température ambiante, ce qui en fait un candidat impressionnant de qubit spin‑photon qui émet des photons dans la bande télécom ou de fréquence. Selon Jhuria:

« Nous savions d’après la littérature que le Ci pouvait être formé dans le silicium, mais nous ne nous attendions pas à créer réellement ce nouveau candidat de qubit spin‑photon avec notre approche. »

Il est intéressant de noter qu’augmenter l’intensité du laser femtoseconde lors du traitement du silicium en présence d’hydrogène peut également augmenter la mobilité de l’hydrogène. Cela, à son tour, passeivise les centres colorés indésirables tout en laissant le réseau de silicium intact.

Une analyse théorique a également confirmé les observations expérimentales selon lesquelles la luminosité du centre coloré Ci peut être considérablement renforcée en présence d’hydrogène. Comme l’explique Jhuria, les impulsions laser peuvent non seulement expulser mais aussi ramener les atomes d’hydrogène, « permettant la formation programmable de qubits optiques souhaités à des emplacements précis. » 

Fabriquer de manière fiable des centres colorés n’est que le début ; maintenant, l’équipe veut faire communiquer différents qubits entre eux et voir lesquels offrent les meilleures performances. 

« La capacité de former des qubits à des emplacements programmables dans un matériau comme le silicium, disponible à grande échelle, est une avancée passionnante vers le réseautage et le calcul quantiques pratiques. »

– Cameron Geddes, directeur de la division ATAP

La technique sera ensuite utilisée pour incorporer des qubits optiques dans des dispositifs quantiques tels que des guides d’ondes ainsi que pour découvrir de nouveaux candidats de qubits spin‑photon avec des propriétés optimisées pour des applications sélectionnées.

Nouvelles approches pour réaliser l’informatique quantique: travailler avec des molécules

Le domaine de l’informatique quantique a gagné une traction significative au fil des ans, les chercheurs travaillant constamment à la recherche de nouvelles techniques pour la réaliser. La manipulation de molécules organiques est un domaine étudié pour son application potentielle en informatique quantique. 

L’équipe de l’Université technique de Graz a étudié comment stimuler des molécules compétentes à l’aide d’impulsions de lumière infrarouge pour créer de petits champs magnétiques. Si cette technique est développée avec succès dans des expériences, elle pourrait même être utilisée dans les circuits d’ordinateurs quantiques.

Cette situation s’explique par le fait que la manipulation sélective de la lumière infrarouge permet réellement de contrôler la direction et l’intensité du champ magnétique. Cette opération transforme les molécules en commutateurs optiques de haute précision, qui peuvent ensuite être utilisés pour construire des circuits pour un ordinateur quantique, selon Andreas Hauser de l’Institut de physique expérimentale de l’Université technique de Graz.

Alors que les interactions entre les vibrations moléculaires et le magnétisme de spin sont bien documentées en spectroscopie micro‑ondes, cette étude propose des méthodes pour exciter activement les vibrations moléculaires qui génèrent un champ magnétique à des emplacements ciblés.

Stimuler les molécules par des lasers infrarouges pour former des champs magnétiques

Lorsqu’elles sont irradiées par de la lumière infrarouge, les molécules commencent à vibrer sous l’effet de l’énergie fournie. En utilisant ce phénomène comme point de départ, les physiciens ont commencé à étudier si ces vibrations pouvaient effectivement être utilisées pour générer des champs magnétiques.

Pour leurs calculs, Hauser et son équipe ont utilisé les métallophthalocyanines comme exemple. L’équipe a constaté qu’en raison de la haute symétrie de ces molécules colorantes aromatiques planes en forme d’anneau, elles génèrent de minuscules champs magnétiques à l’échelle du nanomètre (< 1 nm) lorsqu’elles sont exposées à des impulsions infrarouges. Sur cette base, mesurer la force du champ faible mais précisément localisé via la spectroscopie de résonance magnétique nucléaire devrait être réalisable.

En plus de s’appuyer sur les travaux des débuts de la spectroscopie laser, l’équipe a également utilisé la théorie moderne de la structure électronique sur supercalculateurs pour calculer comment les molécules macrocycliques de phthalocyanine réagissent lorsqu’elles sont exposées à la lumière via une lumière infrarouge circulairement polarisée. 

L’équipe a découvert que les ondes lumineuses circulairement polarisées excitent simultanément deux vibrations moléculaires perpendiculaires l’une à l’autre. En comparant cela à la technique de la rumba, Hauser a expliqué:

« La bonne combinaison d’avant‑arrière et de gauche‑droite crée une petite boucle fermée. Et ce mouvement circulaire de chaque noyau atomique affecté crée réellement un champ magnétique, mais uniquement très localement, avec des dimensions de l’ordre de quelques nanomètres. »

Cela reste toutefois purement théorique. L’équipe va maintenant travailler à prouver expérimentalement que les champs magnétiques moléculaires peuvent être générés de manière contrôlée afin qu’ils puissent réellement être exploités. 

Pour l’expérience, cependant, ils doivent identifier un substrat qui interagit minimalement avec les processus ciblés, car les applications à venir nécessitent le positionnement de la molécule de phthalocyanine sur une surface. Cette opération modifie toutefois les conditions physiques, ce qui impacte ensuite l’excitation induite par la lumière et les caractéristiques du champ magnétique.

Donc, avant de pouvoir réellement tester cela en expérience, l’équipe doit d’abord calculer l’interaction entre les phthalocyanines déposées, la lumière infrarouge et le matériau de support. Si l’expérience confirme les changements prévus des constantes de blindage magnétique, l’étude affirme que cela pourra être considéré comme la première mesure d’un champ magnétique créé de façon vibratoire, avec une résolution intramoléculaire. 

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Entreprises faisant progresser le domaine de l’informatique quantique

Il existe plusieurs entreprises, telles que Microsoft (MSFT ), Intel (INTC ) et D‑Wave, qui travaillent à faire progresser l’informatique quantique. IBM est un nom majeur qui se concentre sur l’informatique quantique depuis de nombreuses années. Récemment, il s’est associé à l’Institut national japonais de science et technologie industrielle avancée (AIST) pour aider ce dernier à produire un ordinateur quantique contenant 10 000 qubits avant la fin de cette décennie. Ainsi, au milieu de tous ces développements, examinons de plus près d’autres noms importants du secteur:

#1. Google 

Le géant technologique a consacré beaucoup d’efforts à la construction d’ordinateurs quantiques depuis de nombreuses années. En 2019, Google a démontré pour la première fois que les ordinateurs quantiques pouvaient exécuter un algorithme impossible à traiter pour un superordinateur conventionnel.

L’année dernière, le processeur quantique Sycamore de Google a été présenté avec 70 qubits, une avancée par rapport aux 53 qubits de la version précédente. Cela le rend environ 241 millions de fois plus rapide et plus robuste que le modèle antérieur. Le nouveau ordinateur quantique de Google, quant à lui, simule le comportement des aimants en détail et peut nous aider à approfondir notre compréhension du magnétisme.

En ce qui concerne l’informatique quantique, Google adopte une approche full stack, qui englobe l’intégration transparente des composants matériels et logiciels. L’entreprise organise actuellement un concours mondial de 3 ans et 5 M$ appelé XPRIZE Quantum Applications pour faire progresser le domaine des algorithmes quantiques.

Avec une capitalisation boursière de 2,2 billion de dollars, les actions de Google se négocient à 177,08 $, en hausse de 26,88 % depuis le début de l’année. Elle affiche un BPA (TTM) de 6,52, un PER (TTM) de 27,18 et un rendement du dividende de 0,45 %. Pour le premier trimestre 2024, l’entreprise a enregistré un chiffre d’affaires de 80,5 milliards de dollars, en hausse de 15 % d’une année sur l’autre, tandis que sa marge opérationnelle a atteint 32 %.

#2. Dell 

Cette entreprise technologique a également commencé à prendre des mesures concrètes en informatique quantique. Récemment, Dell a présenté une plateforme hybride classique/quantique développée avec IonQ. Elle a également annoncé une collaboration avec Aramco pour explorer les avancées en informatique quantique, IA et edge computing. Ensemble, Aramco et Dell visent à relever des défis complexes dans les domaines de l’optimisation énergétique, de la modélisation météorologique, de la science des matériaux et de la maintenance prédictive grâce à l’informatique quantique. 

Selon Catherine Doyle, directrice générale de Dell Technologies (DELL ) Ireland, l’informatique quantique contribuera également aux avancées en IA car elle « deviendra interconnectée dans un avenir proche ».

Avec une capitalisation boursière de 100,74 milliards de dollars, les actions de Dell se négocient actuellement à 144,50 $, en hausse de 85,66 % depuis le début de l’année. Elle affiche un BPA (TTM) de 4,36, un PER (TTM) de 32,55 et un rendement du dividende de 1,25 %. Pour le premier trimestre 2024, l’entreprise a enregistré un chiffre d’affaires de 22,2 milliards de dollars et un bénéfice net de 60 millions de dollars.

Conclusion

L’informatique quantique est un domaine en pleine expansion pour les chercheurs, les organisations et les gouvernements. En raison de sa capacité à offrir une vitesse élevée, une sécurité renforcée, une plus grande efficacité, des simulations précises et une analyse améliorée, il est logique que l’intérêt se soit accru, accompagné de recherches et d’investissements continus, ce qui pourrait enfin permettre à l’informatique quantique de devenir une réalité et de trouver son application dans tous les secteurs.

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