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02 novembre 2012
par Jean-Paul
Baquiast et Christophe Jacquemin
Le calculateur quantique sera-t-il opérationnel
plus tôt que prévu ?
Et qui bénéficiera de ces progrès?
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Dans un supplément
à son numéro de novembre 2012, intitulé "Les
supercalculateurs relèvent le défi",
la revue La Recherche recense les nombreux domaines dans lesquels
ces dernières années les super-calculateurs, souvent
désignés par le terme de "calcul intensif",
ont bouleversé les sciences, les technologies et leurs applications
militaires et civiles. Il est intéressant de noter que l'Europe
(et la France notamment grâce à la compagnie Bull,
lointaine enfant du si décrié Plan Calcul) tiennent
une place plus qu'honorable dans cette course à la puissance.
Mais ce seront sans doute dans l'avenir les Etats-Unis et la Chine
qui continueront à faire les plus gros efforts d'investissement.
Ceci dit, pour
certains types de problèmes, même les supercalculateurs
les plus puissants paraîtraient des calculettes s'ils étaient
confrontés à des calculateurs quantiques utilisant
quelques dizaines ou centaines de qbits, c'est-à-dire de
particules maintenues en état de superposition quantique
le temps qu'elles se livrent à des calculs parallèles.
Dans un éditorial du 15/10.2012 "Un
prix Nobel français en physique quantique... oui mais ensuite?",
nous rappelions l'urgence qui devrait s'attacher à la mise
au point, notamment en Europe où les capacités ne
manquent pas, de calculateurs quantiques véritablement opérationnels.
 Nous
y indiquions que, sans mentionner ce qui se fait sans doute en Chine
mais qui n'est pas publié, le ministère de la défense
américain, via son agence de recherche la Darpa et un partenariat
étroit avec la société américano-canadienne
D-Wave,
sont en train de réaliser de substantiels progrès
en ce domaine [voir
ce film]. Il est inutile de parier que lorsque ces projets
aboutiront, entraînant de profondes ruptures technologiques
et scientifiques, les Européens n'en bénéficieront
pas.
Image tirée
de la vidéo "D-Wave
Quantum Computer Scaling"
réalisée par la société D-Waves, montrant
- selon elle - la progression du nombre de qbits utilisés
dans les ordinateurs quantiques,
en fonction des années.
Une
nouvelle perspective
Mais
les voies permettant de réaliser des calculateurs quantiques
sont-elles aussi étroites qu'il apparaît aujourd'hui
? Des percées ne seraient-elles pas probables, dans des domaines
où l'ingéniosité des chercheurs n'a évidemment
pas dit son dernier mot ? On peut le penser en lisant un article
publié le 17 octobre dans la revue Nature par une équipe
américaine de Princeton dirigée par le physicien Jason
Petta : "Circuit
quantum electrodynamics with a spin qubit"(1).
Bornons-nous ici à en donner un rapide aperçu.
L'ambition
affichée est énorme : réaliser éventuellement
des calculateurs quantiques composés de milliers ou davantage
(!) de q.bits. Pour atteindre cet objectif, il faut faire appel
à une véritable révolution conceptuelle. Dans
la course au calculateur quantique, la difficulté est que
l'état des électrons, ou tout autre particule quantique
(notamment son spin) ayant vocation à jouer le rôle
de q.bit, est très sensible aux perturbations extérieures,
venant des champs magnétiques ou lumineux environnants. Des
méthodes de plus en plus efficaces permettant d'observer
le spin d'une particule quantique sans le perturber ont été
proposées, notamment par Serge Haroche, titulaire du dernier
Prix Nobel de physique. Mais pour réaliser des calculateurs
efficaces, il faudrait transposer ces dispositifs à l'échelle
de 100 ou 1000.
Pour
résoudre cette difficulté, l'équipe de Princeton
propose de conjuguer des techniques venues de deux sciences différentes,
celle de la physique des nanomatériaux et celle de l'optique.
Dans le but d'obtenir des q.bits utilisables pour le calcul quantique,
une opération en deux phases est mise en place. Dans une
première phase, des "points" quantiques sont créés
le long d'une petite longueur d'un support spécial dit nanosemiconducteur,
"semiconductor nanowire". Ce nanosemiconductor
est si fin qu'il peut retenir des paires d'électrons individuelles.
Celles-ci sont ensuite enfermées dans de petites "cages"
le long du fil.
Les cages sont disposées de telle sorte que les électrons
prennent place dans une cage déterminée en fonction
de leur niveau d'énergie. Pour répartir ces électrons
afin d'observer ultérieurement leur spin, on utilise le fait
que les électrons de même spin se repoussent tandis
que ceux de spin différent s'attirent. On manipule donc les
électrons jusqu'à leur conférer un niveau déterminé
d'énergie et l'on observe ensuite leur position. S'ils se
retrouvent dans la même cage, ceci veut dire que leurs spins
sont différents. S'ils se trouvent dans des cages différentes,
c'est parce qu'ils ont le même spin.
Mais
comment "lire" cette information ? La seconde phase de
l'opération consiste à placer les points quantiques
(quantum dots) ainsi obtenus dans un flux de photons micro-ondes
(microwave channel). Il s'agit, comme on vient de le rappeler,
d'observer leur spin afin d'en faire de véritables q.bits
utilisables pour le calcul. Les chercheurs ont créé
à cette fin une petite cavité avec un miroir à
chacune de ses extrémités. Les miroirs réfléchissent
la radiation micro-onde. Les micro-ondes sont envoyées à
l'une des extrémités de la cavité, puis observées
à leur sortie par l'autre extrémité. Elles
sont affectées par l'état du spin des électrons
situés dans la cavité, ce qui permet en recueillant
le flux de micro-ondes de lire cet état sans le détruire.
Les
dispositifs proposés sont encore très artisanaux et
peu fiables. Ils ne permettent de traiter qu'une paire d'électron
à la fois. Le premier objectif pour la suite consistera à
améliorer la fiabilité des miroirs aux deux extrémités.
Mais pour les concepteurs du procédé, on ne devrait
pas rencontrer de difficultés de principe lorsque l'on voudra
étendre le processus à grande échelle afin
d'obtenir les puissants ordinateurs quantiques recherchés.
Nous pouvons supposer que, dans l'immédiat, au vu des éléments
publiés, le Pr. Serge Haroche est en mesure d'évaluer
l'intérêt de l'innovation proposée à
Princeton.
Se
poserait donc dès maintenant la question de savoir qui décidera,
financera et utilisera l'exploitation à grande échelle
de l'innovation ici évoquée, si celle-ci tient ses
promesses.
Il y a tout lieu de supposer que cette question agite déjà
de nombreux esprits.
(1)
Article accessible sur abonnement. On peut toutefois aussi le consulter
dans son intégralité, dans sa version
publiée sur Arxiv )
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