Nouveau plan de construction pour des ordinateurs quantiques plus stables

Le chemin qui mène aux ordinateurs quantiques passe nécessairement par ce qu’on appelle les bits quantiques ou qubits: contrairement aux bits classiques, qui peuvent stocker uniquement les valeurs 0 et 1, les qubits sont des bits de mémoire qui peuvent stocker n’importe quelle combinaison de ces états. «Cela rend possible un tout autre type de calcul et de traitement des données, qui impliquerait une énorme accélération de la puissance de calcul pour certaines applications spécifiques», explique Manuel Grimm, chercheur au PSI et premier auteur d’une nouvelle publication scientifique consacrée aux qubits.

Dans cet article, les auteurs décrivent comment des bits quantiques et des opérations logiques fondamentales pourraient être réalisés dans un solide magnétique: avec des atomes individuels de la classe des terres rares, qui seraient intégrés dans le réseau cristallin d’une substance porteuse. Utilisant la physique quantique, les auteurs calculent que le spin nucléaire des atomes de terres rares conviendrait comme support d’information, autrement dit comme qubit. Ils proposent par ailleurs que des impulsions laser ciblées puissent transférer brièvement l’information décisive au niveau des électrons de l’atome et activent ainsi les qubits, ce qui rendrait l’information plus largement visible pour les atomes environnants. Deux qubits activés de cette manière communiquent l’un avec l’autre et peuvent être «enchevêtrés». L’enchevêtrement est une propriété particulière des systèmes comportant plusieurs particules quantiques et elle est absolument essentielle pour un ordinateur quantique: le résultat de la mesure d’un qubit dépend alors directement du résultat de la mesure d’un autre qubit et inversement.

Une plus grande rapidité réduit le risque d’erreur

Les chercheurs montrent comment ces bits quantiques permettraient de produire des portes logiques de type «porte contrôlée-NOT» (en anglais «controlled NOT gate» ou «CNOT gate»). Les portes logiques sont les composants fondamentaux qui permettent aussi aux ordinateurs classiques d’effectuer des calculs. Si l’on interconnecte suffisamment de portes CNOT et de portes à qubit unique, toutes les opérations arithmétiques imaginables deviennent possibles. Elles forment ainsi la base des ordinateurs quantiques.

Certes, ces travaux ne sont pas les premiers à proposer des portes logiques quantiques. «Mais comparé aux propositions comparables faites jusqu’ici, notre méthode d’activation et d’enchevêtrement des qubits présente un avantage décisif: elle est au moins dix fois plus rapide», souligne Manuel Grimm. La vitesse de calcul potentielle de l’ordinateur n’est toutefois pas le seul aspect: la susceptibilité aux erreurs du système est aussi concernée. «Les qubits ne sont pas très stables, rappelle Manuel Grimm. Si les processus d’enchevêtrement sont trop lents, la probabilité augmente que, dans l’intervalle, certains qubits perdent leur information.» Ce que les chercheurs du PSI ont découvert, en fin de compte, c’est donc une possibilité non seulement de rendre ce type d’ordinateur quantique au moins dix fois plus rapide, mais aussi dix fois moins sujet à l’erreur par rapport aux systèmes comparables proposés jusqu’ici.

Texte: Institut Paul Scherrer/Laura Hennemann