Développer une nouvelle approche pour construire des ordinateurs quantiques

L’informatique quantique, bien qu’encore à ses débuts, a le potentiel d’augmenter considérablement la puissance de traitement en exploitant le comportement étrange des particules aux plus petites échelles. Certains groupes de recherche ont déjà signalé avoir effectué des calculs qui prendraient des milliers d’années à un supercalculateur traditionnel. À long terme, les ordinateurs quantiques pourraient fournir un cryptage incassable et des simulations de la nature au-delà des capacités actuelles.

Une équipe de recherche interdisciplinaire dirigée par l’UCLA, comprenant des collaborateurs de l’Université de Harvard, a maintenant développé une stratégie fondamentalement nouvelle pour la construction de ces ordinateurs. Alors que l’état actuel de l’art utilise des circuits, des semi-conducteurs et d’autres outils d’ingénierie électrique, l’équipe a élaboré un plan d’action basé sur la capacité des chimistes à concevoir sur mesure des blocs de construction atomiques qui contrôlent les propriétés de structures moléculaires plus grandes lorsqu’ils sont mis ensemble.

Les résultats, publiés la semaine dernière dans Chimie naturellepourrait finalement conduire à un bond en avant de la puissance de traitement quantique.

« L’idée est, au lieu de construire un ordinateur quantique, de laisser la chimie le construire pour nous », a déclaré Eric Hudson, professeur présidentiel de physique David S. Saxon à l’UCLA et auteur correspondant de l’étude. « Nous sommes tous encore en train d’apprendre les règles de ce type de technologie quantique, donc ce travail est très science-fiction en ce moment. »

Les unités d’information de base dans l’informatique traditionnelle sont les bits, qui sont chacun limités à l’une des deux seules valeurs. En revanche, un groupe de bits quantiques – ou qubits – peut avoir une plage de valeurs beaucoup plus large, augmentant de manière exponentielle la puissance de traitement d’un ordinateur. Plus de 1 000 bits normaux sont nécessaires pour représenter seulement 10 qubits, tandis que 20 qubits nécessitent plus d’un million de bits.

Cette caractéristique, au cœur du potentiel de transformation de l’informatique quantique, dépend des règles contre-intuitives qui s’appliquent lorsque les atomes interagissent. Par exemple, lorsque deux particules interagissent, elles peuvent devenir liées ou enchevêtrées, de sorte que la mesure des propriétés de l’une détermine les propriétés de l’autre. L’intrication des qubits est une exigence de l’informatique quantique.

Cependant, cet enchevêtrement est fragile. Lorsque les qubits rencontrent de subtiles variations dans leur environnement, ils perdent leur « caractère quantique », qui est nécessaire pour mettre en œuvre des algorithmes quantiques. Cela limite les ordinateurs quantiques les plus puissants à moins de 100 qubits, et le maintien de ces qubits dans un état quantique nécessite de grosses machines.

Pour appliquer concrètement l’informatique quantique, les ingénieurs doivent augmenter cette puissance de traitement. Hudson et ses collègues pensent avoir fait un premier pas avec l’étude, où la théorie a guidé l’équipe pour fabriquer sur mesure des molécules qui protègent le comportement quantique.

Les scientifiques ont développé de petites molécules qui incluent des atomes de calcium et d’oxygène et agissent comme des qubits. Ces structures calcium-oxygène forment ce que les chimistes appellent un groupe fonctionnel, ce qui signifie qu’il peut être branché sur presque n’importe quelle autre molécule tout en conférant ses propres propriétés à cette molécule.

L’équipe a montré que leurs groupes fonctionnels maintenaient leur structure souhaitée même lorsqu’ils étaient attachés à des molécules beaucoup plus grosses. Leurs qubits peuvent également résister au refroidissement laser, une exigence clé pour l’informatique quantique.

« Si nous pouvons lier un groupe fonctionnel quantique à une surface ou à une longue molécule, nous pourrions être en mesure de contrôler plus de qubits », a déclaré Hudson. « Cela devrait également être moins cher à développer, car un atome est l’une des choses les moins chères de l’univers. Vous pouvez en fabriquer autant que vous le souhaitez. »

En plus de son potentiel pour l’informatique de nouvelle génération, le groupe fonctionnel quantique pourrait être une aubaine pour la découverte fondamentale en chimie et en sciences de la vie, par exemple en aidant les scientifiques à en savoir plus sur la structure et la fonction de diverses molécules et produits chimiques dans le corps humain. .

« Les Qubits peuvent également être des outils de mesure extrêmement sensibles », a déclaré le co-auteur de l’étude, Justin Caram, professeur adjoint de chimie et de biochimie à l’UCLA. « Si nous pouvions les protéger afin qu’ils puissent survivre dans des environnements complexes tels que les systèmes biologiques, nous serions armés de tant de nouvelles informations sur notre monde. »

Hudson a déclaré que le développement d’un ordinateur quantique à base chimique pourrait de manière réaliste prendre des décennies et n’est pas certain de réussir. Les prochaines étapes comprennent l’ancrage des qubits à des molécules plus grosses, l’amalgame des qubits captifs pour qu’ils interagissent en tant que processeurs sans signalisation indésirable et leur enchevêtrement afin qu’ils fonctionnent comme un système.

Le projet a été lancé grâce à une subvention du Département de l’énergie qui a donné aux physiciens et aux chimistes la chance de couper à travers le jargon spécifique à la discipline et de parler dans un langage scientifique commun. Caram attribue également l’atmosphère de collaboration facile de l’UCLA.

« C’est l’un des projets les plus enrichissants sur le plan intellectuel sur lequel j’ai jamais travaillé », a-t-il déclaré. « Eric et moi nous sommes rencontrés pour la première fois en déjeunant au centre de la faculté. Cela est né de conversations amusantes et d’une ouverture à parler à de nouvelles personnes. »