Machiel Blok, chercheur émérite en physique, développe des techniques pour améliorer les circuits supraconducteurs, ce qui pourrait permettre de créer des ordinateurs quantiques plus puissants.
Contrairement aux conducteurs classiques, tels que le cuivre, où une partie de l’énergie est perdue en raison de la résistance, un supraconducteur n’offre aucune résistance, permettant ainsi une conductivité électrique sans perte d’énergie. Ce phénomène est le fruit des effets de la mécanique quantique, qui étudie le comportement des particules aux niveaux atomique et subatomique.
La mission de Machiel Blok ? Élaborer des techniques innovantes pour améliorer ces circuits supraconducteurs et concevoir des ordinateurs et simulateurs quantiques capables de résoudre des problèmes insurmontables pour les ordinateurs classiques.
Le pouvoir des qubits dans la mécanique quantique
En mécanique quantique, une particule peut exister dans plusieurs états simultanément grâce au phénomène de superposition. Contrairement aux ordinateurs traditionnels composés de transistors, ou bits, qui peuvent être soit “0” (éteints) soit “1” (allumés), les ordinateurs quantiques se basent sur des qubits. Ces derniers, régis par les lois de la mécanique quantique, peuvent être à la fois “0” et “1”. Les circuits supraconducteurs permettent de créer ces qubits, de les placer en superposition d’états différents et de manipuler ces superpositions.
“En contrôlant minutieusement les interactions entre ces qubits, nous pouvons exécuter des algorithmes quantiques, offrant ainsi une puissance de calcul bien supérieure à celle des ordinateurs classiques“, affirme le Pr. Blok.
Son projet actuel explore une nouvelle méthode pour stocker et transférer de l’information quantique de manière plus efficace en utilisant des qudits au lieu des qubits. Un processeur basé sur des qudits va au-delà de la logique quantique binaire (“0” et “1”) et permet d’avoir trois ou plusieurs états logiques (“0”, “1”, “2”, etc.) pour encoder de l’information.
Innovation dans le stockage d’information quantique
La méthode du Pr. Blok repose sur l’utilisation de photons – de minuscules paquets de radiation électromagnétique – pour créer et manipuler des qudits afin d’effectuer des calculs. Cette méthode pourrait aider à protéger l’information quantique du bruit, c’est-à-dire des interactions non désirées entre les qudits et l’environnement.
“Les algorithmes quantiques sont extrêmement sensibles au bruit et un dérangement minime peut provoquer un échec opérationnel, ruinant totalement un calcul quantique“, explique Blok. Nous visons à concevoir des circuits supraconducteurs qui protègent contre le bruit dans les futurs ordinateurs quantiques et à développer une technologie pour rendre ces ordinateurs plus puissants et fiables.”
Le processus de création des circuits supraconducteurs
Au sein de son laboratoire, Machiel Blok et son équipe fabriquent des puces supraconductrices en gravant des métaux tels que le niobium ou l’aluminium sur des puces en silicium. Ils commencent par fabriquer un résonateur en spirale au Centre intégré de nanosystèmes (URnano) en collaboration avec John Nichol, professeur associé de physique.
Dans un circuit supraconducteur, un résonateur en spirale est essentiellement un fil enroulé en forme de spirale qui deviendra supraconducteur une fois refroidi. Le résonateur agit comme un diapason pour les signaux électriques, filtrant et contrôlant la circulation de ces derniers de manière précise et efficace.
Après fabrication, le résonateur est placé dans un réfrigérateur à dilution pour être refroidi à des températures proches du zéro absolu, où le niobium devient supraconducteur. L’équipe mesure ensuite et teste les résonateurs à l’aide d’équipements micro-ondes commerciaux.
La dernière étape consiste à parfaire le processus qui aidera à protéger l’information quantique contre le bruit et à assister la correction d’erreurs quantiques. Les circuits ont une variété d’applications potentielles, notamment en informatique quantique et pour améliorer la précision des capteurs.
Pour aller plus loin
Les travaux du professeur Blok démontrent le potentiel immense de l’informatique quantique, capable de résoudre des problèmes qui dépassent les capacités de nos ordinateurs actuels. Cependant, la sensibilité extrême des algorithmes quantiques au moindre bruit représente un défi majeur. Si les efforts déployés pour surmonter ces obstacles sont prometteurs, le chemin vers des ordinateurs quantiques fiables et largement disponibles reste encore long.
Les points à retenir
Qu’est-ce qu’un supraconducteur ?
Un supraconducteur est un matériau qui, une fois refroidi à une température très basse, perd toute résistance à la conduction électrique, ce qui permet une circulation du courant sans perte d’énergie.
Qu’est-ce qu’un qubit ?
Un qubit, ou bit quantique, est l’unité fondamentale de l’information dans le calcul quantique. Contrairement aux bits classiques qui peuvent être soit 0, soit 1, un qubit peut représenter les deux états à la fois grâce à la superposition quantique.
Qu’est-ce qu’un qudit ?
Un qudit est une extension du concept de qubit. Il peut représenter non seulement deux états (0 et 1), mais également des états supplémentaires (2, 3, etc.), offrant un potentiel d’encodage de l’information plus important.
Qu’est-ce que le bruit en informatique quantique ?
Dans le contexte de l’informatique quantique, le bruit se réfère à toute perturbation non désirée qui peut affecter les qudits ou qubits et ainsi perturber les calculs quantiques.
Quels sont les défis de l’informatique quantique ?
L’un des principaux défis de l’informatique quantique est la sensibilité des algorithmes quantiques au bruit. De plus, le maintien de la cohérence quantique – la capacité à maintenir les superpositions d’états – sur une période prolongée est également un défi majeur.
Crédit images / Université Rochester
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