Conduire le futur quantique : interférence phononique et nouveaux matériaux

Contrairement aux ordinateurs classiques, tels que nos ordinateurs portables et smartphones, un ordinateur quantique utilise les propriétés de la physique quantique pour effectuer des calculs et stocker des données, le rendant supérieur même à certains des meilleurs superordinateurs actuels pour certaines tâches.

Contrairement à l’encodage de l’information en bits binaires (0 ou 1) comme les ordinateurs ordinaires, l’unité de base de la mémoire d’un ordinateur quantique est le qubit, qui est créé à partir de systèmes physiques tels que le spin d’un électron ou l’orientation d’un photon. 

Quantum bits, or qubits, can be arranged in many different ways at once. This means they can represent both 0 and 1 simultaneously, a property called quantum superposition. Qubits can also be linked through quantum entanglement, where the connected particles share the same fate regardless of the distance between them.

En conséquence, on estime qu’un ordinateur quantique possède la capacité d’effectuer des calculs exponentiellement plus rapides que tout ordinateur classique. 

Grâce à cet avantage, les ordinateurs quantiques promettent de révolutionner l’informatique moderne. Théoriquement, ils peuvent optimiser la logistique, casser les schémas de chiffrement courants, permettre la découverte de nouveaux médicaments et matériaux, et aider les physiciens à réaliser des simulations physiques. 

Bien que les ordinateurs quantiques ne soient pas encore une réalité, the quest to create a practical one is accelerating as major technology companies work on scaling from small lab experiments to full working systems in the coming years.

IBM a déjà présenté son plan détaillé, avec Jay Gambetta, responsable de l’initiative quantique d’IBM, déclarant au Financial Times que ce n’est plus un rêve :

« Je sens vraiment que nous avons percé le code et que nous serons capables de construire cette machine d’ici la fin de la décennie. »

Alors que Google, une société appartenant à Alphabet (GOOG ), est également confiante dans sa capacité à produire un système à l’échelle industrielle dans ce délai, Amazon (AMZN ) prévoit encore quelques décennies avant que ces machines ne deviennent réellement utiles.

Il est clairement évident qu’il y a un fort intérêt pour cette technologie émergente parmi les plus grands acteurs de l’industrie, bien que son adoption réelle soit encore entravée par plusieurs défis.

Cela inclut la sensibilité des qubits aux perturbations de l’environnement, également appelée « bruit ». Des facteurs tels que la chaleur, les vibrations et les champs électromagnétiques peuvent faire perdre à un qubit ses propriétés quantiques. Ce processus, appelé décohérence quantique, provoque le plantage du système et introduit des erreurs dans les calculs. Cette sensibilité constitue un défi majeur dans la construction et l’exploitation des ordinateurs quantiques.

Afin de protéger les qubits des interférences externes, les scientifiques les isolent physiquement, les maintiennent à basse température ou les soumettent à des impulsions d’énergie concentrées.

Outre le bruit, la correction d’erreurs, l’évolutivité, les connaissances spécialisées, l’intensité des ressources et l’intégration avec les systèmes classiques sont d’autres défis auxquels les ordinateurs quantiques sont confrontés. La bonne nouvelle est que ces problèmes sont activement traités par les entreprises et les scientifiques à travers différentes approches afin de rendre les ordinateurs quantiques une réalité. 

Neglectons: Particules négligées en informatique quantique

L’une des manières de surmonter la fragilité des qubits pour construire des ordinateurs quantiques stables consiste à les associer à des éléments mathématiques qui étaient auparavant considérés comme sans importance. 

Cette découverte a été rapportée par des mathématiciens la semaine dernière, qui ont noté que des particules négligées appelées « neglectons » peuvent aider à révolutionner le secteur.¹

La quasi-particule étudiée ici s’appelle un anyon d’Ising, qui n’existe que dans les systèmes 2D et constitue le cœur de l’informatique quantique topologique. Cela signifie que les anyons ne stockent pas l’information dans les particules mais dans la façon dont ils s’enroulent les uns autour des autres, ce qui est beaucoup plus résistant au bruit. Le problème est que les anyons d’Ising ne sont pas universels.

Pour résoudre ce problème, l’équipe s’est tournée vers la « théorie quantique des champs topologique non semi-simple ». Cette théorie permet de prédire de nouvelles particules inconnues « simplement en comprenant la symétrie de ce qui se passe ».

Selon cela, chaque particule possède une dimension quantique, un nombre reflétant le « poids » ou l’influence qu’elle exerce dans le système. Alors que la particule à poids nul est généralement écartée, dans les nouvelles versions non semi-simples, ces particules sont conservées avant de déterminer comment faire en sorte que ce nombre ne soit pas nul.

Les pièces négligées réinterprétées offrent les capacités manquantes des anyons d’Ising. 

L’étude a démontré qu’avec un seul neglecton, la particule est capable d’effectuer un calcul universel simplement par tressage. Notamment, les anyons d’Ising peuvent créer des superpositions car ils dépendent de la forme du chemin de tressage et non des emplacements précis, et sont naturellement protégés de nombreux types de bruit.

Former l’IA à réarranger les atomes efficacement

Dans un autre cas, les chercheurs ont utilisé l’IA pour assembler le « cerveau » d’un ordinateur quantique.²

Ce que l’équipe a fait, c’est qu’elle a employé l’intelligence artificielle pour trouver la méthode la plus optimale afin d’assembler rapidement un réseau d’atomes qui pourrait un jour servir de cerveau à un ordinateur quantique.

Selon le co-auteur de l’étude, Jian-Wei Pan, physicien à l’Université des Sciences et Technologies de Chine :

« L’IA pour la science émerge comme un paradigme puissant pour résoudre des problèmes scientifiques complexes. »

Lors de la construction d’« réseaux d’atomes neutres », le défi consiste à déterminer comment les réarranger de manière « efficace, rapide et évolutive », ce que l’IA a résolu.

Les atomes neutres, les ions piégés et les circuits supraconducteurs sont utilisés par les chercheurs pour créer des qubits en raison de leur capacité à maintenir les états quantiques pendant une période relativement longue. Lorsque les atomes sont utilisés comme qubits, ils sont piégés par la lumière laser et stockent l’information quantique dans les niveaux d’énergie de leurs électrons.

L’idée est d’utiliser suffisamment d’atomes pour aider un ordinateur quantique à surmonter les erreurs. Ainsi, l’équipe a entraîné le modèle d’IA sur la façon dont les atomes de rubidium (Rb) peuvent être placés dans différentes configurations de grille à l’aide de divers motifs de lumière laser. Ensuite, en fonction des positions de départ des atomes, le modèle d’IA peut calculer le motif lumineux précis nécessaire pour les réarranger en formes 2D et 3D.

En utilisant leur modèle d’IA, l’équipe a assemblé un réseau de jusqu’à 2 024 atomes de rubidium en seulement 60 millisecondes. L’étude a noté :

« Ce protocole peut être facilement utilisé pour générer des réseaux sans défaut de dizaines de milliers d’atomes avec les technologies actuelles et devenir une boîte à outils utile pour la correction d’erreurs quantiques. »

Distillation d’états magiques de qubits logiques

Par ailleurs, le mois dernier, des scientifiques ont réalisé une percée « état magique » pour construire des ordinateurs quantiques sans erreur.³

Les scientifiques ont effectivement démontré un phénomène appelé « distillation d’états magiques », qui, bien qu’il ait été proposé il y a deux décennies, n’était pas utilisé dans les qubits logiques jusqu’à présent. Cela malgré le fait qu’il soit considéré comme essentiel à la production d’« états magiques », nécessaires pour exploiter le plein potentiel des ordinateurs quantiques.

Ces états sont préparés à l’avance pour être consommés comme ressources par des algorithmes quantiques complexes.

Pour leur utilisation par les algorithmes, les états magiques de la plus haute qualité sont d’abord « purifiés » via un processus de filtrage appelé distillation d’états magiques. Bien que possible sur des qubits physiques simples et sujets aux erreurs, ce processus n’est pas réalisable sur des qubits logiques qui sont configurés pour détecter et corriger les erreurs.

Aujourd’hui, pour la première fois, les scientifiques ont démontré la distillation d’états magiques en pratique sur des qubits logiques.

En utilisant l’ordinateur quantique Gemini à atomes neutres, les scientifiques ont distillé cinq états magiques imparfaits en un état magique plus pur. En réalisant cela séparément sur un qubit logique de distance 3 et un qubit logique de distance 5, ils ont montré que le processus de distillation s’adapte à la qualité du qubit logique.

En conséquence, la fidélité de l’état magique final dépasse celle de toute entrée, confirmant que la distillation d’états magiques résistants aux perturbations fonctionne réellement en pratique.

Déverrouiller la mémoire quantique avec des ondes sonores

La semaine dernière, des scientifiques du Caltech ont publié leurs recherches montrant que les ondes sonores ouvrent une nouvelle voie vers l’informatique quantique pratique.⁴

Ils ont construit une mémoire quantique hybride qui transforme l’information électrique en son. Cela permet aux états quantiques de persister jusqu’à trente fois plus longtemps que dans les systèmes supraconducteurs standards, où des résonateurs soigneusement conçus permettent aux électrons de former des qubits supraconducteurs excellant dans l’exécution d’opérations rapides et complexes mais qui ne sont pas adaptés au stockage à long terme. 

Le stockage d’information dans les états quantiques demeure un défi ; pour y remédier, les chercheurs créent des « mémoires quantiques » capables de conserver l’information quantique pendant une période dépassant celle des qubits supraconducteurs largement utilisés. Et la nouvelle méthode hybride de l’équipe du Caltech a prolongé la mémoire quantique. 

« Une fois que vous avez un état quantique, vous ne voulez peut-être pas l’utiliser immédiatement. Vous devez disposer d’un moyen d’y revenir lorsque vous souhaitez effectuer une opération logique. Pour cela, il vous faut une mémoire quantique. »

– Mohammad Mirhosseini, professeur adjoint d’ingénierie électrique et de physique appliquée

Ainsi, l’équipe a créé un qubit supraconducteur sur une puce et l’a connecté à un petit dispositif appelé oscillateur mécanique, qui est essentiellement une fourchette d’accord à petite échelle. 

Cet oscillateur est constitué de plaques flexibles qui vibrent en réponse à des ondes sonores de fréquences GHz. Lorsqu’une charge électrique est appliquée, ces plaques interagissent avec les signaux électriques transportant l’information quantique, permettant à l’information d’être canalisée dans le dispositif pour être stockée comme une « mémoire », puis ensuite restituée, ou « rappelée ».

Lors de la mesure, les chercheurs ont constaté que l’oscillateur avait une durée de vie, c’est-à-dire le temps nécessaire pour perdre le contenu quantique une fois l’information introduite dans le dispositif, qui était environ 30 fois plus longue que celle des meilleurs qubits supraconducteurs.

Parmi tous ces progrès, deux nouvelles études soutenues par la National Science Foundation ont réalisé d’importantes percées qui nous rapprochent davantage de l’utilisation pratique des ordinateurs quantiques.

Nouveaux matériaux quantiques pour des qubits stables

Une équipe de chercheurs de l’Université de technologie de Chalmers, de l’Université d’Helsinki et de l’Université d’Aalto a dévoilé un matériau quantique qui peut transformer l’informatique quantique à jamais en rendant les ordinateurs quantiques plus stables. Il le fait en utilisant le magnétisme pour protéger les qubits fragiles du bruit. 

Lorsqu’il est combiné avec leur outil de calcul pour trouver des matériaux présentant des interactions magnétiques, cette percée peut enfin conduire à des ordinateurs quantiques pratiques et tolérants aux fautes.

Le nouveau type de matériau quantique, ainsi qu’une méthode pour atteindre la stabilité, peuvent rendre les ordinateurs quantiques plus résilients, ouvrant ainsi la voie à leur utilisation pratique dans le traitement des calculs quantiques.

Récemment, les chercheurs ont activement exploré la possibilité de créer des matériaux entièrement nouveaux afin de résoudre le problème du bruit en offrant la protection nécessaire contre les perturbations de leur topologie.

Les états quantiques qui apparaissent et sont maintenus grâce à la structure inhérente du matériau utilisé pour créer les qubits sont appelés excitations topologiques. Elles sont robustes et stables. Le défi reste cependant de trouver des matériaux qui soutiennent naturellement des états quantiques robustes.

La dernière étude a réussi à développer un tel matériau quantique novateur pour les qubits affichant des excitations topologiques robustes.⁵

Cela représente une avancée prometteuse vers l’informatique quantique topologique pratique en intégrant la stabilité directement dans la conception du matériau.

Selon l’auteur principal de l’étude, Guangze Chen, chercheur postdoctoral en physique quantique appliquée à Chalmers :

« Il s’agit d’un tout nouveau type de matériau quantique exotique capable de conserver ses propriétés quantiques lorsqu’il est exposé à des perturbations externes. Il peut contribuer au développement d’ordinateurs quantiques suffisamment robustes pour aborder les calculs quantiques en pratique. »

‘Exotic quantum materials’ désigne plusieurs nouvelles classes de solides dotés d’une grande résilience et de propriétés quantiques extrêmes, et la recherche de tels matériaux a longtemps été un défi.

Aujourd’hui, concernant la nouvelle méthode de l’équipe, le magnétisme est la clé. Ce que les chercheurs faisaient traditionnellement était de suivre une « recette » bien établie basée sur le couplage spin-orbite (SOC). Il s’agit d’une interaction quantique qui relie le spin d’un électron à son mouvement orbital autour du noyau atomique pour créer des excitations topologiques. 

Cependant, cela est assez rare et ne peut être utilisé que sur un nombre limité de matériaux. Ainsi, l’équipe a présenté une nouvelle méthode pour obtenir le même effet. La méthode novatrice exploite le magnétisme, qui est plus commun et accessible.

En tirant parti des interactions magnétiques, l’équipe a pu créer des excitations topologiques robustes nécessaires à l’informatique quantique topologique.

« L’avantage de notre méthode est que le magnétisme existe naturellement dans de nombreux matériaux. Vous pouvez le comparer à la cuisson avec des ingrédients du quotidien plutôt qu’avec des épices rares, » a noté Chen. « Cela signifie que nous pouvons désormais rechercher des propriétés topologiques dans un spectre beaucoup plus large de matériaux, y compris ceux qui ont été précédemment négligés. »

En plus d’un nouveau matériau et d’une nouvelle méthode, les chercheurs ont également développé un tout nouvel outil de calcul.

Cet outil les a aidés à trouver plus rapidement de nouveaux matériaux avec les propriétés topologiques souhaitées. Il peut calculer directement la force du comportement topologique d’un matériau.

« Notre espoir est que cette approche puisse guider la découverte de beaucoup d’autres matériaux exotiques, » a déclaré Chen. « En fin de compte, cela peut conduire à des plateformes d’ordinateurs quantiques de prochaine génération, construites à partir de matériaux naturellement résistants aux perturbations qui affectent les systèmes actuels. »

Exploiter le pouvoir inexploité des phonons

Une autre percée a été réalisée par des chercheurs de l’Université Rice, qui peut ouvrir la voie à des technologies de nouvelle génération en détection et en informatique. Celle-ci a montré une forme forte d’interférence entre phonons.⁶

Les phonons sont des vibrations dans la structure d’un matériau qui constituent les plus petites unités de chaleur ou de son dans ce système. 

Lorsque deux phonons de distributions de fréquences différentes interfèrent entre eux, ce phénomène est appelé résonance de Fano. L’étude a rapporté une résonance de Fano deux ordres de grandeur supérieure à tout ce qui avait été observé auparavant.

« Alors que ce phénomène est bien étudié pour des particules comme les électrons et les photons, l’interférence entre phonons a été beaucoup moins explorée, » a déclaré le premier auteur de l’étude, Kunyan Zhang, ancien postdoctorant à Rice. « C’est une opportunité manquée, car les phonons peuvent conserver leur comportement d’onde pendant longtemps, ce qui les rend prometteurs pour des dispositifs stables et haute performance. »

L’étude a démontré efficacement que les phonons peuvent être exploités aussi efficacement que la lumière ou les électrons, ouvrant la voie à des technologies phononiques de nouvelle génération. Le socle de cette percée repose sur l’utilisation d’un métal 2D posé sur une base de carbure de silicium.

Entre une couche de graphène et le carbure de silicium, l’équipe a inséré quelques couches d’atomes d’argent à l’aide de la technique d’hétéroépissage confinée, ce qui a produit une interface fortement liée avec des propriétés quantiques exceptionnelles.

« Le métal 2D déclenche et renforce l’interférence entre différents modes vibratoires dans le carbure de silicium, atteignant des niveaux records. »

– Zhang

Pour leurs travaux, l’équipe a simplement exploré la façon dont les phonons interfèrent entre eux. Pour cela, ils ont examiné la forme du signal en spectroscopie Raman, une technique utilisée pour mesurer les modes vibratoires d’un matériau. Les chercheurs ont constaté une forme de ligne fortement asymétrique, présentant parfois une chute complète, formant un motif d’antirésonance caractéristique d’une interférence intense.

Cet effet a montré une grande sensibilité aux spécificités de la surface du carbure de silicium (SiC). 

En comparant trois terminaisons de surface uniques du SiC, les chercheurs ont trouvé une forte corrélation entre chacune d’elles et la forme unique de la ligne Raman. De plus, la forme de la ligne spectrale a changé de manière notable lorsqu’une seule molécule de colorant a été introduite à la surface.

« Cette interférence est si sensible qu’elle peut détecter la présence d’une seule molécule, » a déclaré Zhang. « Elle permet une détection de molécules uniques sans étiquette avec une configuration simple et évolutive. Nos résultats ouvrent une nouvelle voie à l’utilisation des phonons dans la détection quantique et la détection moléculaire de prochaine génération. »

En examinant la dynamique de l’effet à basse température, il a été confirmé que l’interférence provient uniquement des interactions phononiques et non des électrons, ce qui en fait un cas rare d’interférence quantique uniquement phononique. 

L’équipe a observé cet effet uniquement dans le système de carbure de silicium 2D qu’elle a utilisé en raison des configurations de surface et des voies de transition spéciales permises par la fine couche.

« Comparée aux capteurs conventionnels, notre méthode offre une haute sensibilité sans besoin d’étiquettes chimiques spéciales ni de configuration d’appareil compliquée, » a déclaré la co-auteure Shengxi Huang, professeure associée d’ingénierie électrique et informatique et de science des matériaux et nano-ingénierie à Rice. « Cette approche basée sur les phonons fait progresser non seulement la détection moléculaire mais ouvre également des perspectives passionnantes dans la récolte d’énergie, la gestion thermique et les technologies quantiques, où le contrôle des vibrations est essentiel. »

Swipe to scroll →

Investir dans l’informatique quantique

Plusieurs grands géants technologiques et investisseurs misent massivement sur les percées quantiques. Cela inclut des entreprises telles qu’IBM (IBM ), Google, Amazon, Microsoft (MSFT ), et bien d’autres. Elles développent toutes leurs initiatives quantiques, tandis que le capital-risque continue d’affluer sans interruption vers les startups explorant de nouveaux matériaux, la correction d’erreurs et les technologies phononiques.

Microsoft (MSFT )

Parmi tous ces grands noms, Microsoft se démarque nettement. Elle a investi à la fois dans le quantique et la fusion, les présentant comme des technologies complémentaires pour alimenter les centres de données pilotés par l’IA à l’avenir. Dans le même sens, le laboratoire d’IA quantique de Google et les feuilles de route quantiques pluriannuelles d’IBM reflètent leur objectif de réaliser des machines quantiques pratiques d’ici la décennie.

Le cours de l’action Microsoft est passé d’environ 354 $ début avril 2025 à un pic supérieur à 524 $ en août, avant de redescendre autour de 509 $ au 19 août. L’évaluation actuelle de l’entreprise comprend un ratio P/E de 38,1, un bénéfice par action (TTM) de 13,70 $ et un rendement du dividende de 0,59 %. Pour l’exercice 2025, le chiffre d’affaires s’est élevé à 281,7 milliards de dollars et le bénéfice net à 101,8 milliards de dollars. La demande pour ses activités cloud et IA, en particulier, contribue à améliorer ses performances.

Dernières Microsoft Corporation (MSFT) Stock News and Developments

Conclusion

Les ordinateurs quantiques se vantent de la capacité d’effectuer des calculs complexes à des vitesses bien supérieures à celles des ordinateurs classiques, ce qui promet de permettre des percées dans divers domaines, notamment la découverte de médicaments, la science des matériaux, l’IA et la cryptographie.

Mais bien sûr, les ordinateurs quantiques sont encore loin d’être une réalité, confrontés à des défis tels que le bruit, l’évolutivité, la stabilité, le stockage, la mémoire et le contrôle. Cependant, du côté positif, les chercheurs progressent constamment sur tous ces fronts, et ensemble ils nous rapprochent de la mise à disposition d’ordinateurs quantiques pratiques !

Cliquez ici pour obtenir une liste des cinq meilleures entreprises d’informatique quantique.

Références:

1. Iulianelli, F., Kim, S., Sussan, J., et al. Calcul quantique universel utilisant des anyons d’Ising à partir d’une théorie quantique des champs topologique non semi-simple. Nature Communications, 16, 6408, publié le 5 août 2025. https://doi.org/10.1038/s41467-025-61342-8
2. Ahart, J. (15 août 2025). L’IA aide à assembler le « cerveau » du futur ordinateur quantique. Nature. https://doi.org/10.1038/d41586-025-02577-9
3. Sales Rodriguez, P., Robinson, J. M., Jepsen, P. N., et al. Démonstration expérimentale de la distillation d’états magiques logiques. Nature, publié le 14 juillet 2025. https://doi.org/10.1038/s41586-025-09367-3
4. Bozkurt, A. B., Golami, O., Yu, Y., et al. Mémoire quantique mécanique pour photons micro-ondes. Nature Physics, publié le 13 août 2025. https://doi.org/10.1038/s41567-025-02975-w
5. Lippo, Z., Pereira, E. L., Lado, J. L., & Chen, G. Modes topologiques nuls et pompage de corrélation dans un réseau de Kondo conçu. Physical Review Letters, 134(11), 116605, publié en mars 2025. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.134.116605
6. Zhang, K., et al. Interférence quantique phononique réglable induite par des métaux bidimensionnels. Science Advances, 11, eadw1800, publié en 2025. https://doi.org/10.1126/sciadv.adw1800