Le partage intelligent de câbles booste les ordinateurs quantiques

Un obstacle majeur au développement d’ordinateurs quantiques puissants est le nombre croissant de câbles nécessaires pour contrôler l’ordinateur à mesure que le nombre de qubits augmente. Des chercheurs de l’Université de technologie de Chalmers en Suède ont maintenant démontré que plusieurs qubits peuvent partager le même câble – sans augmenter significativement le temps de calcul. Leur étude est la plus complète du genre et pourrait devenir une pièce importante du puzzle dans le développement des ordinateurs quantiques. Ces ordinateurs ont le potentiel de révolutionner des domaines comme le développement de médicaments et la logistique.

La puissance des ordinateurs quantiques réside dans ce qu’on appelle les « qubits ». Contrairement à un « bit » d’ordinateur conventionnel, qui peut avoir la valeur 1 ou 0, un qubit peut avoir les valeurs 1 et 0 simultanément – et tous les états intermédiaires, dans n’importe quelle combinaison. Cela signifie qu’un ordinateur quantique avec 20 qubits peut représenter simultanément une combinaison de plus d’un million d’états différents, ce qui se traduit par une puissance de calcul énorme.

« La course mondiale à la technologie quantique est en plein essor, avec les géants de la technologie actuellement en tête avec des ordinateurs quantiques basés sur plus de 100 qubits. Mais pour résoudre les défis sociétaux du monde réel, les ordinateurs quantiques devront grandir beaucoup plus, avec des milliers de qubits ou plus fonctionnant bien », explique Anton Frisk Kockum, professeur associé de physique quantique appliquée à l’Université de technologie de Chalmers. À Chalmers, les chercheurs ont développé le plus grand ordinateur quantique de Suède au sein du Centre Wallenberg pour la technologie quantique (WACQT).

Les défis d’ingénierie ralentissent la mise à l’échelle

Cependant, la mise à l’échelle des ordinateurs quantiques s’accompagne de défis pratiques. Pour que de nombreux types d’ordinateurs quantiques fonctionnent – y compris ceux basés sur des circuits supraconducteurs – ils doivent être refroidis à des températures proches du zéro absolu, soit -273,15 °C. Le refroidissement est réalisé à l’aide d’hélium dans des cryostats entourant l’ordinateur quantique. Pour contrôler les calculs quantiques, des signaux sont envoyés via des câbles depuis l’électronique extérieure jusqu’aux qubits refroidis à l’intérieur. Mais ces câbles émettent de la chaleur qui affecte la température à l’intérieur du cryostat, ce qui risque de faire perdre aux qubits leur capacité à poursuivre le calcul.

« Puisque chaque qubit nécessite actuellement son propre câble, il y a une limite au nombre de qubits qu’un système peut contenir avant que la température ne devienne trop élevée et que l’ordinateur quantique ne cesse de fonctionner. Il y a aussi des limitations physiques, car les câbles prennent de la place dans le cryostat », souligne Ingrid Strandberg, scientifique en technologie quantique à Chalmers.

Le partage intelligent de câbles remet en cause les préoccupations antérieures

Une approche alternative mais relativement inexplorée consiste à permettre à plusieurs qubits de partager le même câble. Au lieu de contrôler les qubits en parallèle avec un câble chacun, ils sont contrôlés séquentiellement en succession rapide avec moins de câbles. Le processus nécessite l’installation de commutateurs micro-ondes à côté du processeur quantique pour acheminer chaque signal de contrôle vers son qubit cible – une procédure connue sous le nom de multiplexage dans le domaine temporel. Cependant, la méthode implique un compromis présumé. Si les qubits doivent « attendre » leur tour pour recevoir des signaux, les calculs peuvent prendre plus de temps. Pour étudier l’importance réelle de ce délai, les chercheurs ont testé comment différents types de processeurs quantiques sont affectés lorsque le nombre de câbles de contrôle est réduit. Les résultats ont été étonnamment positifs.

« Nous pouvons voir que pour de nombreux algorithmes quantiques courants, le nombre de câbles peut être considérablement réduit sans que les calculs ne deviennent significativement plus lents ou que le temps d’exécution n’augmente beaucoup. Dans certains cas, comme pour les portes qui relient deux qubits, vous pouvez même partager des câbles sans coût temporel supplémentaire, limité seulement par la façon dont les qubits sont interconnectés », explique Marvin Richter, doctorant en technologie quantique à Chalmers et auteur principal de l’étude.

Une étape importante vers les ordinateurs quantiques à grande échelle

Les simulations informatiques et les analyses mathématiques des chercheurs de Chalmers sont les plus complètes jamais réalisées dans ce domaine. Une conclusion particulièrement importante des résultats est que le temps de calcul augmente logarithmiquement, et non linéairement, lorsque les qubits individuels partagent des câbles.

« C’est une augmentation plus lente que ce que l’on craignait auparavant », déclare Simone Gasparinetti, professeur associé de technologie quantique à Chalmers et co-auteur de l’étude. « Permettre à plusieurs qubits de partager des câbles pourrait être une étape importante vers les ordinateurs quantiques à grande échelle. Ces résultats nous donnent une motivation encore plus forte pour développer les commutateurs micro-ondes rapides et à faible dissipation nécessaires pour mettre en œuvre cette technique. »

En savoir plus sur l’étude

Dans cette étude théorique, des simulations informatiques ont été effectuées sur des processeurs quantiques de différentes tailles, jusqu’à environ 1 000 qubits. L’accent principal a été mis sur un processeur avec 121 qubits disposés en une grille 11×11. Dans l’étude, les chercheurs ont fait varier le nombre de qubits par câble, d’un par câble jusqu’à 121. Dans les simulations des plus grands systèmes, avec jusqu’à 1 000 qubits, jusqu’à huit qubits par câble ont été testés.

L’article « Overhead in Quantum Circuits with Time-Multiplexed Qubit Control » a été publié dans la revue PRX Quantum. Les auteurs sont Marvin Richter, Ingrid Strandberg, Simone Gasparinetti et Anton Frisk Kockum, tous actifs au Département de microtechnologie et de nanoscience de l’Université de technologie de Chalmers. Les résultats numériques ont été produits en utilisant les ressources de calcul haute performance du Centre Chalmers pour les sciences et l’ingénierie computationnelles (C3SE).

L’étude a été financée grâce au soutien de la Fondation Knut et Alice Wallenberg via le Centre Wallenberg pour la technologie quantique (WACQT), de la Fondation suédoise pour la recherche stratégique, du programme Horizon Europe de l’UE, du projet OpenSuperQPlus100, de l’Union européenne et du Conseil européen de la recherche (CER).

Article : Overhead in Quantum Circuits with Time-Multiplexed Qubit Control – Journal : PRX Quantum – Méthode : Computational simulation/modeling – DOI : Lien vers l’étude