Dans cette puce informatique, la mémoire vibre

Cet ordinateur fonctionne presque comme une guitare. Le physicien quantique de l’ETH Zurich, Yiwen Chu, et son équipe utilisent de minuscules vibrations mécaniques pour stocker et traiter des informations. Ces vibrations se comportent un peu comme les cordes vibrantes d’une guitare, qui produisent des notes de musique.

Ce qui ressemble à de la musique est en réalité de la physique quantique. Les vibrations avec lesquelles Chu et son équipe travaillent sont bien au-delà de la portée de l’ouïe humaine. Elles se produisent au cœur d’une puce quantique, où elles sont utilisées pour stocker des informations quantiques.

Ces vibrations permettent à l’ordinateur quantique de Chu d’effectuer ses calculs aussi efficacement que possible tout en utilisant de manière flexible une mémoire de travail. « L’interaction entre le processeur quantique et la mémoire quantique fournit une base cruciale en vue d’établir les ordinateurs quantiques comme un moyen puissant et fiable d’effectuer des calculs qui ne sont pas réalisables avec des ordinateurs conventionnels », explique Yiwen Chu.

Le professeur de physique mène des recherches sur l’information quantique et les architectures d’ordinateurs quantiques. Son équipe a récemment présenté une nouvelle approche dans la revue Science qui sépare le calcul de la mémoire de travail beaucoup plus clairement que de nombreux modèles existants d’informatique quantique, qui intègrent étroitement le traitement et le stockage.

Nouvelle mémoire de travail quantique inspirée de l’informatique numérique

Pour y parvenir, Chu et son équipe ont développé une nouvelle architecture d’ordinateur quantique intentionnellement calquée sur les ordinateurs numériques classiques. Dans ces systèmes, une unité centrale de traitement (CPU) traite les données stockées séparément dans une mémoire de travail – connue en informatique classique sous le nom de mémoire vive (RAM). L’architecture informatique définit la manière dont les composants individuels d’un ordinateur sont organisés pour traiter les données aussi efficacement que possible.

Dans l’approche de Chu, un qubit dit supraconducteur joue le rôle de l’unité centrale de traitement et de contrôle assuré par le processeur (CPU) dans un ordinateur numérique. En même temps, les informations à traiter sont temporairement stockées dans une mémoire quantique, les rendant disponibles tout au long du calcul. 

« Dans notre mémoire de travail quantique, cependant, l’information n’est pas stockée électromagnétiquement – comme c’est généralement le cas aujourd’hui – mais plutôt sous forme de vibrations mécaniques », explique Chu.

Cette capacité à placer des états en superposition ou à les intriquer ouvre des voies supplémentaires pour le calcul quantique. La grande promesse des ordinateurs quantiques est donc qu’un jour ils pourront résoudre certains problèmes très complexes plus efficacement que les ordinateurs classiques – ou même aborder des tâches que les ordinateurs conventionnels ne peuvent pas résoudre du tout.

L’avantage : plus de vibrations signifie plus de mémoire 

Pour que les ordinateurs quantiques puissent calculer et stocker des informations de manière fiable, les chercheurs doivent être capables de contrôler et de manipuler précisément ces états. Cela est possible lorsque l’unité de traitement et la mémoire de travail sont fortement couplées.  

Dans le système de Chu, cela fonctionne comme suit : les résonateurs stockent les informations respectives dans un état vibrationnel spécifique. Lorsque le qubit récupère des informations de la mémoire de travail quantique, il traite et modifie cet état vibrationnel, puis le stocke à nouveau.  

Jusqu’à présent, de nombreux modèles d’informatique quantique ont combiné une mémoire électromagnétique avec des qubits supraconducteurs, car les deux – individuellement et en combinaison – sont bien étudiés et éprouvés. Les technologies de mémoire électromagnétique permettent de lire, modifier et contrôler les états quantiques avec une très haute précision.

Leur inconvénient : elles sont relativement grandes et nécessitent beaucoup d’espace – ce qui risque d’entraver le développement de dispositifs expérimentaux de laboratoire en ordinateurs quantiques prêts pour le marché pour la recherche et l’industrie. C’est là que Chu intervient. 

Les résonateurs mécaniques, en revanche, sont nettement plus petits et plus compacts. Ils offrent également une plus grande capacité de stockage, car ils supportent de nombreux modes vibratoires différents et peuvent donc stocker plus d’informations simultanément que la mémoire électromagnétique. De plus, ils maintiennent les états quantiques stables plus longtemps, sans que les vibrations ne s’estompent et que les informations ne soient perdues. Cela prolonge le temps de stockage.

Une nouvelle architecture informatique passe le test de résistance 

Dans Science, Chu a maintenant démontré expérimentalement pour la première fois que des résonateurs mécaniques peuvent être couplés et combinés avec succès à des qubits supraconducteurs pour effectuer des calculs quantiques. Cela prouve la faisabilité : les systèmes de mémoire vibrante peuvent représenter une alternative prometteuse aux approches électromagnétiques. La méthode s’imposera ou non en fonction de sa capacité à être adaptée à plus grande échelle. En d’autres termes, la puce quantique de Chu doit également fonctionner de manière fiable dans des systèmes informatiques quantiques plus vastes aux capacités de calcul étendues. 

L’équipe de Chu poursuit cette ligne de recherche. Une preuve de principe a déjà été publiée dans Science : leur approche consistant à intégrer des qubits et des résonateurs dans une nouvelle architecture informatique est capable non seulement d’effectuer des tâches de calcul simples, mais aussi des tâches plus exigeantes. 

Le groupe de recherche a testé la capacité de calcul de leur approche à l’aide de deux problèmes clés, qui comptent parmi les méthodes de calcul les plus importantes en informatique quantique : la transformée de Fourier quantique et la recherche de période. 

« La transformée de Fourier quantique est une procédure de calcul fondamentale requise pour de nombreux algorithmes quantiques. L’algorithme de recherche de période que nous avons mis en œuvre a servi de démonstration de la manière dont cette procédure peut être utilisée », explique Igor Kladaric, doctorant dans l’équipe de Chu et co-auteur de la publication. 

Les deux méthodes exigent qu’un système informatique quantique contrôle, stocke et lie de manière cohérente de nombreux états quantiques simultanément. Si cela est réalisé, un ordinateur quantique est considéré comme fondamentalement capable de calcul – et c’est exactement ce que démontre l’approche de Chu.

Base pour un ordinateur quantique puissant 

En principe, le système informatique quantique de Chu peut effectuer toutes les étapes de calcul de base nécessaires pour exécuter n’importe quel calcul quantique arbitraire. Cela montre que l’approche est fondamentalement adaptée comme ordinateur quantique programmable à usage général.

Il reste encore un long chemin à parcourir avant qu’un ordinateur quantique suffisamment puissant et fiable puisse être utilisé dans la recherche et l’industrie. Cependant, l’approche de Chu représente une étape très prometteuse.

Article : Mechanical resonator–based quantum computing – Journal : Science – DOI : Lien vers l’étude

Source : ETHZ