Des chercheurs du Laboratoire national d’Argonne du Département américain de l’énergie (DOE) et de l’Université de Chicago ont atteint un nouveau record en maintenant les bits quantiques (qubits) dans un état quantique cohérent pendant plus de cinq secondes. La recherche, publiée dans le Revue des avancées scientifiques, est salué comme une nouvelle étape importante dans l’extraction de travaux utiles à partir d’ordinateurs quantiques – une étape qui devrait faire évoluer les performances de l’informatique quantique vers le moment tant recherché de la suprématie quantique.
Les systèmes informatiques quantiques sont notoirement difficiles à maintenir dans des états cohérents. La nature fragile du « chaos ordonné » est telle que les informations qubit et la connexion qubit (intrication) se détériorent généralement à des échelles bien inférieures à une seconde. La nouvelle recherche apporte la cohérence de l’informatique quantique à des échelles de temps perceptibles par l’homme. En utilisant une technique qu’ils ont appelée « lecture en un seul coup », les chercheurs ont utilisé des impulsions laser précises pour ajouter des électrons uniques aux qubits.
« [The] la lumière émise reflète l’absence ou la présence de l’électron, et avec près de 10 000 fois plus de signal », a déclaré Elena Glen, étudiante diplômée de l’Université de Chicago. « En convertissant notre état quantique fragile en charges électroniques stables, nous pouvons mesurer notre état beaucoup, beaucoup plus facilement. Grâce à cette amplification du signal, nous pouvons obtenir une réponse fiable à chaque fois que nous vérifions dans quel état se trouve le qubit. Ce type de mesure est appelée « lecture unique », et avec elle, nous pouvons débloquer de nombreuses technologies quantiques utiles. »
L’ajout d’électrons uniques revient à appuyer sur le bouton de réinitialisation de votre PC, mais pour les états quantiques. Il élimine toutes les erreurs précédemment chargées (les qubits sont sensibles à toute interférence externe), permettant aux états cohérents de se « perpétuer ». L’idée est de relier les domaines quantique et électronique, et le choix du matériau est primordial : les chercheurs ont tiré parti des capacités inhérentes au carbure de silicium, qui peut fonctionner dans les deux domaines.
« Nous avons essentiellement créé un traducteur pour passer des états quantiques au domaine des électrons, qui sont le langage de l’électronique classique, comme ce qu’il y a dans votre smartphone », a déclaré Chris Anderson de l’Université de Chicago, co-premier auteur de l’article. « Nous voulons créer une nouvelle génération d’appareils sensibles aux électrons uniques, mais qui hébergent également des états quantiques. Le carbure de silicium peut faire les deux, et c’est pourquoi nous pensons qu’il brille vraiment. »
Bien que cela puisse sembler peu, le temps s’écoule différemment en informatique ; passer d’états quantiques stables de l’ordre de quelques fractions de seconde jusqu’à cinq secondes augmente la quantité de temps de calcul utile extrait des qubits disponibles. De plus, cela ouvre de nouvelles façons d’augmenter la puissance de traitement au-delà du simple nombre de qubits – les chercheurs calculent qu’ils peuvent effectuer environ 100 millions d’opérations quantiques dans cette tranche de cinq secondes. Alors peut-être que l’informatique quantique sera une menace pour Bitcoin et les systèmes de cryptage gouvernementaux, commerciaux et personnels actuels beaucoup plus tôt que prévu ?
« Il est rare d’avoir des informations quantiques préservées sur ces échelles de temps humaines », a déclaré David Awschalom, scientifique principal au Laboratoire national d’Argonne. « Cinq secondes suffisent pour envoyer un signal de vitesse de la lumière à la lune et retour. C’est puissant si vous envisagez de transmettre des informations d’un qubit à quelqu’un via la lumière. Cette lumière reflétera toujours correctement l’état du qubit même après avoir a fait le tour de la Terre près de 40 fois, ouvrant la voie à la création d’un Internet quantique distribué. »
Cette technologie pourrait être associée à l’informatique quantique basée sur la photonique pour un réseau informatique quantique distribué évolutif et à la vitesse de la lumière. Les chercheurs s’attendent à ce que leurs résultats permettent le développement de répéteurs quantiques. On espère également que grâce à l’utilisation du carbure de silicium, il y aura des possibilités pour les technologies de fabrication CMOS (complémentaire à symétrie métallique semi-conducteur) d’intégrer des systèmes basés sur le spin électronique dans des dispositifs électriques classiques sensibles aux charges uniques.