L’informatique quantique progresse rapidement grâce à la technologie supraconductrice avancée

Technologie émergente, l’informatique quantique utilise les lois des mécanismes quantiques pour résoudre des problèmes complexes qui dépassent la capacité des ordinateurs traditionnels. 

Ces ordinateurs quantiques stockent l’information dans des qubits (ou bits quantiques). Contrairement aux bits classiques, ces qubits peuvent exister au-delà d’un état binaire de 0 et 1 et, de ce fait, peuvent effectuer des calculs beaucoup plus rapidement. 

De plus, ces qubits existent sous différentes formes, notamment les qubits à ions piégés, qui utilisent des ions ou atomes chargés ; les qubits photoniques, qui utilisent des particules de lumière ; et les qubits supraconducteurs, qui sont une boucle de circuit avec un courant électrique circulant autour d’eux.

Faisant partie du calcul quantique « à état solide », les qubits supraconducteurs ont été démontrés pour la première fois en 1999. Depuis, ils sont devenus l’une des principales formes de technologie de qubits, offrant des avantages tels que la réduction de la dissipation d’énergie, une faible résistance, une diminution de la décohérence, des circuits quantiques évolutifs, une opération de qubits à haute vitesse, des états de qubits stables, un contrôle de qubits à haute fidélité et la correction d’erreurs.

Au cours de la dernière décennie, l’informatique quantique supraconductrice est devenue une option populaire pour construire des ordinateurs quantiques fonctionnels, et la recherche en cours nous rapproche de leur réalisation. 

Récentes percées dans les matériaux supraconducteurs

Cette semaine même, une équipe de chercheurs a publié une étude dans Science Advances sur le développement d’un nouveau matériau supraconducteur pour l’informatique quantique.

Le nouveau matériau supraconducteur est un candidat au « supraconducteur topologique », un type qui utilise un état délocalisé d’un trou ou d’un électron pour transporter l’information quantique et traiter les données.

Le physicien Peng Wei de l’Université de Californie a dirigé une équipe de chercheurs qui ont combiné du tellure trigonal, un matériau non magnétique qui ne peut pas être superposé à son image miroir, avec un supraconducteur d’état de surface généré sur la surface d’un film mince d’or.

Cette combinaison a créé un supraconducteur d’interface 2D avec une polarisation de spin améliorée, permettant aux excitations d’être potentiellement utilisées pour créer un qubit spin stable. Ce matériau supraconducteur révolutionnaire a le potentiel de transformer l’évolutivité et la fiabilité des composants de l’informatique quantique. 

« En créant une interface très propre entre le matériau chiral et l’or, nous avons développé un supraconducteur d’interface bidimensionnel. Le supraconducteur d’interface est unique car il évolue dans un environnement où l’énergie du spin est six fois plus renforcée que celle des supraconducteurs conventionnels. »

– Wei, professeur associé de physique et d’astronomie

Sous un champ magnétique, le matériau a également montré une transition, ce qui suggère son utilisation comme supraconducteur triplet, pouvant conduire à des composants d’informatique quantique plus robustes. Il est essentiellement devenu plus robuste sous un champ magnétique élevé qu’à faible champ magnétique. 

De plus, en utilisant des matériaux non magnétiques pour des interfaces plus propres, cette nouvelle technologie supprime naturellement les sources de décohérence, qui constituent un défi en informatique quantique.

Les chercheurs ont également démontré la capacité du supraconducteur à être transformé en résonateurs micro-ondes de haute qualité à faible perte, qui sont des composants critiques de l’informatique quantique. Ainsi, cela peut conduire à des qubits supraconducteurs à faible perte. 

Étant donné que la réduction de la décohérence ou de la perte d’information quantique dans un système de qubits est le plus grand défi de l’informatique quantique, cette recherche peut aider à développer des composants d’informatique quantique plus évolutifs et fiables. Selon Wei :

« Nous avons réalisé cela en utilisant des matériaux d’un ordre de grandeur plus fins que ceux généralement employés dans l’industrie de l’informatique quantique. »

Ces résonateurs micro-ondes ont un facteur de qualité atteignant un million.

Une semaine avant cela, une équipe dirigée par l’UCLA a également publié une étude présentant un nouveau matériau prometteur pour l’informatique quantique. 

Le matériau a conservé ses propriétés supraconductrices sous des champs magnétiques bien plus élevés que la normale et a présenté l’effet diode supraconducteur. Cet effet, qui permet à un courant plus important de circuler dans une direction, est généralement observé dans les supraconducteurs chiraux et est rarement vu dans les supraconducteurs traditionnels.

Pour induire le comportement chiral dans un supraconducteur conventionnel, les chercheurs ont créé une couche moléculaire chirale et une structure stratifiée avec le matériau 2D disulfure de tantale (TaS2).

Cette étude a démontré le potentiel d’améliorer l’efficacité et la stabilité de l’informatique quantique ainsi que de rendre l’électronique conventionnelle plus rapide et plus économe en énergie.

Innovations dans le contrôle des qubits et l’évolutivité

Avec la capacité des ordinateurs quantiques à « changer radicalement le monde », une course mondiale s’est engagée pour construire un ordinateur quantique pratique.

Cependant, l’un des plus grands défis entravant la croissance des ordinateurs quantiques est l’évolutivité, c’est‑à‑dire que des ordinateurs suffisamment grands puissent résoudre des problèmes réels. Pour disposer d’un ordinateur quantique capable de résoudre des problèmes utiles, nous avons besoin soit de davantage de qubits, soit d’une méthode fiable pour réduire les erreurs introduites lors des calculs.

Ainsi, des chercheurs japonais ont abordé le problème en augmentant le nombre de qubits gérables et en diminuant le nombre de qubits requis.

Il y a quelques mois, les chercheurs ont démontré avec succès un circuit supraconducteur capable de contrôler de nombreux qubits à basse température.

Dans cette expérience, il a été démontré qu’un circuit supraconducteur pouvait contrôler plusieurs qubits via un seul câble grâce au multiplexage micro-ondes. Le circuit a le potentiel d’augmenter la densité des signaux micro-ondes par câble d’environ 1 000 fois. Cette avancée peut considérablement augmenter le nombre de qubits contrôlables et contribuer au développement d’ordinateurs quantiques à grande échelle.

Pour réduire le matériel nécessaire entre les qubits et l’électronique à température ambiante, une « cryro‑électronique » innovante a été développée. La « cryro‑électronique » désigne l’électronique de contrôle et de lecture des qubits qui fonctionne à des températures cryogéniques proches des qubits. 

Il a également été démontré que la cryro‑électronique fonctionne à des fréquences d’horloge élevées à quatre degrés au-dessus du zéro absolu. Aujourd’hui, l’accent est mis sur la réduction de la consommation d’énergie afin de minimiser la chaleur générée à proximité des qubits. 

Un autre axe de recherche des scientifiques japonais consiste à trouver des moyens de corriger les erreurs de traitement. Dans ce contexte, des chercheurs de l’Université de Princeton ont développé une technique de fabrication pour un calcul quantique sans erreur.

Dans cette recherche, les scientifiques ont créé une couche supraconductrice sur un isolant topologique, le tungstène ditellurure (WTe2). La technique a utilisé une « graine » de métal déposé (palladium) sur la surface de l’isolant pour former une nouvelle structure cristalline, Pd7WTe2, qui présentait une résistance nulle.

La technique de diffusion atomique fonctionne avec succès avec divers matériaux, dont le molybdène ditellurure (MoTe2).

Bien que d’autres tests soient nécessaires pour déterminer s’il s’agit d’un supraconducteur topologique, les chercheurs estiment que de nouveaux supraconducteurs peuvent être créés grâce à leur méthode générale.

Lutter contre la décohérence et améliorer les performances

Une autre percée en informatique quantique est survenue plus tôt cette année lorsque des chercheurs ont introduit une nouvelle approche des circuits supraconducteurs. Cette approche a le potentiel d’étendre considérablement le temps d’exécution d’un ordinateur quantique.

Comme nous l’avons souligné, le fonctionnement continu d’un tel ordinateur est interrompu en raison de la facilité avec laquelle l’état quantique d’un qubit peut être déstabilisé. Cela s’appelle la décohérence et entraîne des erreurs de calcul. Cela se produit à cause des interactions avec d’autres qubits et leur environnement.

Et comme les qubits supraconducteurs permettent de passer d’un état à un autre en un temps record, ils sont au centre de la recherche croissante. Mais bien qu’ils puissent améliorer le temps de commutation, ils sont également plus sensibles à la décohérence en quelques millisecondes.

Ainsi, un groupe international de chercheurs a proposé une conception de jonction Josephson, appelée « flowermon ». Cette conception utilise deux flocons de cuprate d’une épaisseur d’un atome, un matériau supraconducteur à base de cuivre.

« Le flowermon modernise l’ancienne idée d’utiliser des supraconducteurs non conventionnels pour des circuits quantiques protégés et la combine avec de nouvelles techniques de fabrication ainsi qu’une nouvelle compréhension de la cohérence des circuits supraconducteurs. »

– Uri Vool, physicien à l’Institut Max Planck de physique chimique des solides en Allemagne

Selon les calculs de l’équipe, leur conception peut réduire le bruit et, par conséquent, augmenter le temps de cohérence des qubits de plusieurs ordres de grandeur. Cependant, il s’agissait d’une étude purement théorique, et l’équipe prévoit d’utiliser ses résultats pour optimiser les qubits supraconducteurs par la suite.

Pour améliorer les performances des ordinateurs quantiques, l’année dernière, une équipe de chercheurs de l’Université du Minnesota Twin Cities a également développé une diode supraconductrice réglable qui peut non seulement aider à faire évoluer les ordinateurs quantiques, mais aussi améliorer les systèmes d’intelligence artificielle.

Une diode est un dispositif qui permet le flux de courant dans une seule direction. Bien qu’elle soit généralement fabriquée avec des semi-conducteurs, les chercheurs explorent la fabrication de diodes à base de supraconducteurs, qui permettent le transfert d’énergie sans aucune perte.

L’auteur principal de la recherche, Vlad Pribiag, professeur associé à l’École de physique et d’astronomie de l’Université du Minnesota, a déclaré :

« Nous voulons rendre les ordinateurs plus puissants, mais il existe certaines limites dures que nous allons bientôt atteindre avec nos matériaux et méthodes de fabrication actuels. »

Le principal défi pour augmenter la puissance de calcul est la dissipation d’énergie, c’est pourquoi l’équipe a choisi d’utiliser les technologies supraconductrices.

Le dispositif de diode supraconductrice a été construit en utilisant trois jonctions Josephson. Bien que fabriqué en intercalant des morceaux de matériau non supraconducteur au milieu des supraconducteurs, les chercheurs ont relié les supraconducteurs avec des couches de semi-conducteurs.

Cette conception unique a permis aux chercheurs de contrôler le comportement du dispositif à l’aide d’une tension. Elle peut également traiter plusieurs signaux électriques simultanément, contrairement aux diodes habituelles qui ne peuvent gérer qu’une entrée et une sortie chacune. Ces caractéristiques ouvrent la voie à l’utilisation de la diode supraconductrice dans le calcul neuromorphique inspiré du cerveau.

Dans le calcul neuromorphique, les circuits électriques sont conçus pour reproduire le fonctionnement des neurones du cerveau humain afin d’améliorer les performances.

Selon Mohit Gupta, premier auteur du papier, cette nouvelle diode supraconductrice est plus efficace énergétiquement que les autres diodes supraconductrices. Plus précisément, pour la première fois, elle est équipée d’une série de portes permettant de contrôler le flux d’énergie. Cette fonctionnalité n’avait jamais été intégrée à une diode supraconductrice auparavant, mais cette étude a « montré qu’il est possible d’ajouter des portes et d’appliquer des champs électriques pour ajuster cet effet. »

De plus, le matériau utilisé dans cette recherche était plus compatible avec l’industrie et capable d’offrir de nouvelles fonctionnalités.

La technique utilisée dans cette étude peut être davantage exploitée avec n’importe quel supraconducteur, ce qui la rend très flexible et compatible avec les applications industrielles. Ces qualités peuvent aider à faire évoluer le développement des ordinateurs quantiques pour une utilisation plus large.

« Actuellement, toutes les machines d’informatique quantique existantes sont très basiques par rapport aux besoins des applications réelles. L’évolutivité est nécessaire afin d’avoir un ordinateur suffisamment puissant pour résoudre des problèmes utiles et complexes. »

– Pribiag

Cela revêt une importance particulière aujourd’hui, alors que l’utilisation de l’IA augmente considérablement. Cela a conduit à la recherche d’algorithmes pour ordinateurs ou machines d’IA capables de dépasser les performances des ordinateurs classiques. Cette étude, selon Pribiag, développe le matériel permettant aux ordinateurs quantiques de mettre en œuvre ces algorithmes. 

La recherche a été financée principalement par le Département de l’Énergie des États-Unis, avec un soutien partiel de la National Science Foundation et de Microsoft Research.

Réduire la taille des qubits avec des matériaux 2D sans affecter les performances

La recherche et le développement continus ont conduit des scientifiques à fabriquer des qubits supraconducteurs beaucoup plus petits que les qubits habituels. Ces qubits supraconducteurs ont été construits à l’aide de matériaux 2D.

Afin de dépasser la vitesse et la capacité des ordinateurs classiques, les qubits des ordinateurs quantiques doivent être à la même longueur d’onde. Pour y parvenir, les chercheurs doivent généralement sacrifier la taille de ces qubits, qui aujourd’hui sont mesurés en millimètres, contrairement à leurs homologues classiques dont les transistors ont été réduits à l’échelle nanométrique.

Pour réduire la taille des qubits afin qu’ils n’occupent pas un grand espace physique tout en maintenant leurs performances, James Hone, professeur Wang Fong-Jen de génie mécanique à l’Université Columbia, a présenté un condensateur de qubit supraconducteur très petit.

Auparavant, les ingénieurs utilisaient des condensateurs planaires pour fabriquer des puces de qubits. Ici, les plaques chargées sont placées côte à côte, et bien qu’elles puissent être empilées pour économiser de l’espace, cela interférerait avec le stockage de l’information du qubit.

Ainsi, les doctorants d’Hone, Anjaly Rajendra et Abhinandan Antony, ont intercalé une couche isolante de nitrure de bore entre deux plaques chargées de niobium diséléniure supraconducteur. D’une épaisseur d’un atome seulement, ces couches sont maintenues ensemble par des forces de Van der Waals, une interaction faible entre forces électrostatiques. 

Les condensateurs ont ensuite été combinés à des circuits en aluminium pour créer une puce. Cette puce comportait deux qubits et ne mesurait que 35 nanomètres d’épaisseur, soit 1 000 fois plus petite que celles produites avec des approches conventionnelles.

Lorsqu’ils sont refroidis, les qubits ont conservé la même longueur d’onde. Ils ont également été observés comme étant intriqués et agissant comme une unité unique. Cette cohérence quantique, bien que de courte durée (un peu plus d’une microseconde), signifie que l’état quantique du qubit peut être manipulé et lu via des impulsions électriques. Selon Hone :

« Nous savons maintenant que les matériaux 2D peuvent détenir la clé pour rendre les ordinateurs quantiques possibles. C’est encore très tôt, mais des découvertes comme celles-ci inciteront les chercheurs du monde entier à envisager de nouvelles applications des matériaux 2D. Nous espérons voir beaucoup plus de travaux dans cette direction à l’avenir. »

Grâce à leur structure unique, les matériaux quantiques bidimensionnels (2D) ont marqué une percée importante en science des matériaux. Contrairement aux matériaux 3D, les matériaux quantiques 2D ne sont constitués que d’un ou de quelques atomes d’épaisseur, et les électrons peuvent se déplacer dans les trois directions.

Parmi les matériaux 2D populaires figurent le silicène, le graphène, le germanène, le stanène, le phosphorène, les dichalcogénures de métaux de transition (TMDC) et le nitrure d’hydroxyde hexagonal (h‑BN).

Bien que ces matériaux offrent des propriétés diverses et un potentiel d’applications technologiques transformatrices, ils rencontrent des défis en termes de synthèse, d’intégration et d’évolutivité qui doivent être surmontés avant que leur plein potentiel puisse être réalisé.

Principales entreprises à la tête de la révolution de l’informatique quantique

Voyons maintenant quelques entreprises majeures impliquées dans les supraconducteurs et l’informatique quantique :

#1. Alphabet (Google)

Alphabet investit massivement dans la recherche en informatique quantique via sa filiale Google Quantum AI. La division a créé un processeur quantique supraconducteur appelé Sycamore, qui, en 2019, a pu réaliser un calcul en 200 secondes alors qu’il aurait nécessité 10 000 années même à un superordinateur puissant. Depuis, le processeur quantique Sycamore a considérablement évolué et possède désormais 70 qubits, le rendant 241 millions de fois plus robuste que son modèle précédent.

Le géant technologique a une capitalisation boursière de 2,06 billion de dollars, et ses actions (GOOGL :NASDAQ) se négocient à 165,68 $, en hausse de 18,56 % depuis le début de l’année. Au deuxième trimestre 2024, Alphabet a annoncé une hausse de 28,6 % de son bénéfice net, atteignant 23,6 milliards de dollars, tandis que le chiffre d’affaires total a progressé de 14 % pour atteindre 84,74 milliards de dollars. La maison mère de Google a également annoncé un dividende en espèces de 0,20 $ par action.

#2. NVIDIA Corporation

NVIDIA explore l’informatique quantique et les supraconducteurs grâce à des partenariats et collaborations. En mars de cette année, l’entreprise a annoncé l’accélération de ses efforts en informatique quantique sur des sites nationaux de supercalcul en Allemagne, au Japon et en Pologne avec la plateforme open source NVIDIA CUDA‑Q™.

Le chouchou de l’IA sur le marché, les actions NVIDIA ont connu une excellente année, comme en témoigne leur hausse de 161,24 % en 2024 jusqu’à présent. Cette progression place les actions NVDA à 129,45 $, portant la capitalisation boursière de l’entreprise à 3,188 billion de dollars. Le fabricant de puces a annoncé un premier trimestre record en 2024, avec un chiffre d’affaires de 22,1 milliards de dollars.

Conclusion

Ainsi, des chercheurs, organisations et entreprises du monde entier travaillent à faire progresser l’informatique quantique, qui excelle dans la résolution de problèmes complexes. L’accent mis sur la technologie supraconductrice, en particulier, contribue à un progrès significatif et nous rapproche de la réalisation du plein potentiel de cette technologie transformatrice. 

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