Des chercheurs américains ont conçu un nouveau modèle de processeur quantique supraconducteur, visant à créer une architecture potentielle pour les dispositifs durables à grande échelle qu’exige la révolution quantique.
Contrairement à la conception typique d’une puce quantique qui place les qubits de traitement de l’information sur une grille à deux dimensions, l’équipe du laboratoire Cleland a conçu un processeur quantique modulaire dont le centre est un routeur reconfigurable. Cela permet à deux qubits quelconques de se connecter et de s’enchevêtrer, alors que dans l’ancien système, les qubits ne peuvent communiquer qu’avec les qubits physiquement les plus proches d’eux.
« Un ordinateur quantique n’est pas nécessairement en concurrence avec un ordinateur classique en ce qui concerne la taille de la mémoire ou de l’unité centrale », a précisé Andrew Cleland, professeur de PME à l’université de Chicago. « Au lieu de cela, ils tirent parti d’une échelle fondamentalement différente : Pour doubler la puissance de calcul d’un ordinateur classique, il faut une unité centrale deux fois plus grande ou une vitesse d’horloge deux fois plus élevée. Doubler un ordinateur quantique ne nécessite qu’un qubit supplémentaire ».
S’inspirant des ordinateurs classiques, la conception regroupe les qubits autour d’un routeur central, de la même manière que les PC communiquent entre eux par l’intermédiaire d’un concentrateur de réseau central. Les « commutateurs » quantiques peuvent connecter et déconnecter n’importe quel qubit en quelques nanosecondes, ce qui permet de créer des portes quantiques de haute fidélité et de générer un enchevêtrement quantique, une ressource fondamentale pour l’informatique et la communication quantiques.
« En principe, il n’y a pas de limite au nombre de qubits pouvant être connectés via les routeurs », a dit Xuntao Wu, doctorant PME à l’UChicago. « Vous pouvez connecter plus de qubits si vous voulez plus de puissance de traitement, à condition qu’ils tiennent dans un certain espace. »
Wu est le premier auteur d’un nouvel article publié dans Physical Review X qui décrit cette nouvelle façon de connecter des qubits supraconducteurs. La nouvelle puce quantique des chercheurs est flexible, évolutive et aussi modulaire que les puces des téléphones et des ordinateurs portables.
« Imaginez que vous ayez un ordinateur classique dont la carte mère intègre de nombreux composants différents, comme le processeur ou le processeur graphique, la mémoire et d’autres éléments », a commenté M. Wu. « Une partie de notre objectif est de transférer ce concept au domaine quantique. »
Taille et bruit
Les ordinateurs quantiques sont des dispositifs très avancés, mais délicats, qui ont le potentiel de transformer des domaines tels que les télécommunications, les soins de santé, l’énergie propre et la cryptographie. Deux choses doivent se produire avant que les ordinateurs quantiques puissent s’attaquer à ces problèmes mondiaux dans toute la mesure de leur potentiel.
Tout d’abord, ils doivent être mis à l’échelle pour atteindre une taille suffisamment grande avec une opérabilité flexible.
« Cette mise à l’échelle peut offrir des solutions à des problèmes de calcul qu’un ordinateur classique ne peut tout simplement pas espérer résoudre, comme la factorisation de nombres énormes et donc le déchiffrement de codes de cryptage », a indiqué M. Cleland.
Deuxièmement, ils doivent être tolérants aux pannes, capables d’effectuer des calculs massifs avec peu d’erreurs, et idéalement surpasser la puissance de traitement des ordinateurs classiques de pointe actuels. La plateforme de qubits supraconducteurs, en cours de développement ici, est une approche prometteuse pour la construction d’un ordinateur quantique.
« Une puce de processeur supraconductrice typique a une forme carrée sur laquelle sont fabriqués tous les bits quantiques. Il s’agit d’un système à l’état solide sur une structure plane », a expliqué Haoxiong Yan, coauteur de l’article, qui a obtenu son diplôme de PME à l’UChicago au printemps et qui travaille maintenant comme ingénieur quantique pour Applied Materials. « Si vous pouvez imaginer un réseau bidimensionnel, comme un treillis carré, c’est la topologie des processeurs quantiques supraconducteurs typiques. »
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Limites de la conception typique
Cette conception typique entraîne plusieurs limitations.
Tout d’abord, le fait de placer les qubits sur une grille signifie que chaque qubit ne peut interagir qu’avec, au maximum, quatre autres qubits – ses voisins immédiats au nord, au sud, à l’est et à l’ouest. Une plus grande connectivité des qubits permet généralement d’obtenir un processeur plus puissant en termes de flexibilité et d’encombrement des composants, mais la limite des quatre voisins est généralement considérée comme inhérente à la conception planaire. Cela signifie que pour les applications pratiques de calcul quantique, la mise à l’échelle de l’appareil en utilisant la force brutale entraînera probablement des exigences irréalistes en matière de ressources.
Deuxièmement, les connexions les plus proches limitent à leur tour les classes de dynamique quantique qui peuvent être mises en œuvre ainsi que l’étendue du parallélisme que le processeur est capable d’exécuter.
Enfin, si tous les qubits sont fabriqués sur le même substrat planaire, cela pose un défi important au niveau du rendement de fabrication, car même un petit nombre de dispositifs défectueux signifie que le processeur ne fonctionnera pas.
« Pour entreprendre une informatique quantique pratique, nous avons besoin de millions, voire de milliards de qubits et nous devons tout fabriquer parfaitement », a ajouté M. Yan.
Repenser la puce
Pour contourner ces problèmes, l’équipe a retouché la conception du processeur quantique. Le processeur est conçu pour être modulaire, de manière à ce que les différents composants puissent être présélectionnés avant d’être montés sur la carte mère du processeur.
Les prochaines étapes de l’équipe consistent à travailler sur les moyens d’étendre le processeur quantique à un plus grand nombre de qubits, à trouver de nouveaux protocoles pour étendre les capacités du processeur et, éventuellement, à trouver des moyens de relier des grappes de qubits connectées par routeur, de la même manière que les superordinateurs relient les processeurs qui les composent.
Ils cherchent également à étendre la distance sur laquelle ils peuvent enchevêtrer les qubits.
« Pour l’instant, la portée du couplage est moyenne, de l’ordre du millimètre », a conclu M. Wu. « Si nous essayons de trouver des moyens de connecter des qubits distants, nous devons explorer de nouvelles façons d’intégrer d’autres types de technologies à notre configuration actuelle. »
Légende illustration : Les chercheurs du Cleland Lab de la Pritzker School of Molecular Engineering de l’université de Chicago, dont (à partir de la gauche) l’ancien élève Haoxiong Yan, le doctorant Xuntao Wu et le professeur Andrew Cleland, ont réalisé un nouveau modèle de processeur quantique supraconducteur. (Photo de John Zich)
Article : “Modular Quantum Processor with an All-to-All Reconfigurable Router,” Wu et al, Physical Review X, November 4, 2024. DOI: 10.1103/PhysRevX.14.041030
