L’informatique quantique fait un bond en avant grâce à une technologie supraconductrice avancée

Technologie émergente, l’informatique quantique utilise les lois des mécanismes quantiques pour résoudre des problèmes complexes qui dépassent la capacité des ordinateurs traditionnels. 

Ces ordinateurs quantiques stockent les informations sous forme de qubits (ou bits quantiques). Contrairement aux bits classiques, ces qubits peuvent exister au-delà d’un état binaire de 0 et 1 et, en tant que tels, peuvent effectuer des calculs beaucoup plus rapidement. 

De plus, ces qubits se présentent sous différentes formes, y compris les qubits à ions piégés, qui utilisent des ions ou des atomes chargés ; les qubits photoniques, qui utilisent des particules lumineuses ; et les qubits supraconducteurs, qui sont une boucle de circuit parcourue par un courant électrique.

Faisant partie du calcul quantique « à l'état solide », les qubits supraconducteurs ont été démontrés pour la première fois en 1999. Depuis lors, ils ont évolué pour devenir l'une des principales formes de technologie des qubits, offrant des avantages tels qu'une dissipation d'énergie réduite, une faible résistance, une décohérence réduite, des circuits quantiques évolutifs, un fonctionnement des qubits à grande vitesse, des états de qubits stables, un contrôle des qubits haute fidélité et une correction d'erreurs.

Au cours de la dernière décennie, l’informatique quantique supraconductrice est devenue une option populaire pour construire des ordinateurs quantiques fonctionnels, et les recherches en cours nous rapprochent de leur réalisation.

Percées récentes dans les matériaux supraconducteurs

Cette semaine encore, une équipe de chercheurs a publié dans Science Advances une étude sur le développement d'un nouveau matériau supraconducteur pour l'informatique quantique.

Le nouveau matériau supraconducteur est un candidat pour un « supraconducteur topologique », qui est un type qui utilise un trou ou l'état délocalisé d'un électron pour transporter des informations quantiques et traiter des données.

Le physicien Peng Wei de l'Université de Californie a dirigé une équipe de chercheurs qui ont combiné le tellure trigonal, un matériau non magnétique qui ne peut pas être superposé sur son image miroir, avec un supraconducteur à l’état de surface généré à la surface d’un mince film d’or.

Cette combinaison créé un supraconducteur d'interface 2D avec une polarisation de spin améliorée, permettant aux excitations d'être potentiellement utilisées pour créer un qubit de spin stable. Ce matériau supraconducteur révolutionnaire a le potentiel de révolutionner l’évolutivité et la fiabilité des composants informatiques quantiques. 

« En créant une interface très nette entre le matériau chiral et l’or, nous avons développé un supraconducteur à interface bidimensionnelle. Le supraconducteur d’interface est unique car il vit dans un environnement où l’énergie de spin est six fois supérieure à celle des supraconducteurs conventionnels.

– Wei, professeur agrégé de physique et d'astronomie

Sous un champ magnétique, le matériau a été vu en outre effectuer une transition, ce qui suggère son utilisation comme supraconducteur triplet, ce qui pourrait conduire à des composants informatiques quantiques plus robustes. Fondamentalement, il est devenu plus robuste à un champ magnétique élevé qu’à un champ magnétique faible. 

De plus, en utilisant des matériaux non magnétiques pour des interfaces plus propres, cette nouvelle technologie supprime aussi naturellement les sources de décohérence., ce qui constitue un défi en informatique quantique.

Les chercheurs ont également démontré le capacité du supraconducteur pour être transformés en résonateurs micro-ondes de haute qualité à faibles pertes, qui sont des composants essentiels de l'informatique quantique. En tant que tel, cela peut conduire à des qubits supraconducteurs à faibles pertes. 

Étant donné que la réduction de la décohérence ou de la perte d’informations quantiques dans un système de qubits constitue le plus grand défi de l’informatique quantique, cette recherche peut aider à développer des composants informatiques quantiques plus évolutifs et plus fiables. Selon Wei :

"Nous y sommes parvenus en utilisant des matériaux d'un ordre de grandeur plus fins que ceux généralement utilisés dans l'industrie de l'informatique quantique."

Ces résonateurs micro-ondes ont un facteur de qualité atteignant 1 million.

Une semaine auparavant, une équipe dirigée par l'UCLA avait également publié une étude présentant de nouveaux matériaux prometteurs pour l'informatique quantique. 

Le matériau a conservé ses propriétés supraconductrices sous des champs magnétiques beaucoup plus élevés que d’habitude et a présenté l’effet de diode supraconductrice. Cet effet, qui permet à davantage de courant de circuler dans une direction, est généralement observé dans les supraconducteurs chiraux et rarement observé dans les supraconducteurs traditionnels.

Pour induire le comportement chiral dans un supraconducteur conventionnel, les chercheurs ont créé une couche moléculaire chirale et une structure en couches avec du disulfure de tantale (TaS2) en 2D.

Cette étude a montré le potentiel d’amélioration de l’efficacité et de la stabilité de l’informatique quantique et de rendre l’électronique conventionnelle plus rapide et plus économe en énergie.

Innovations en matière de contrôle et d'évolutivité des qubits

Les ordinateurs quantiques ayant la capacité de « changer radicalement le monde », il y a eu une course mondiale pour construire un ordinateur quantique pratique.

Cependant, l’un des principaux obstacles à la croissance des ordinateurs quantiques est l’évolutivité, ce qui signifie que des ordinateurs suffisamment grands peuvent résoudre des problèmes réels. Pour disposer d’un ordinateur quantique capable de résoudre des problèmes utiles, nous avons besoin soit de plus de qubits, soit d’un moyen fiable de réduire les erreurs introduites lors des calculs.

Ainsi, des chercheurs japonais ont décidé de résoudre le problème en augmentant le nombre gérable de qubits et en diminuant le nombre requis de qubits.

Il y a quelques mois, les chercheurs ont réussi à démontrer un circuit supraconducteur capable de contrôler de nombreux qubits à basse température.

Dans cette expérience, un circuit supraconducteur a été montré Contrôler plusieurs qubits via un seul câble grâce au multiplexage micro-ondes. Ce circuit pourrait multiplier par 1,000 XNUMX environ la densité des signaux micro-ondes par câble. Cette avancée pourrait considérablement augmenter le nombre de qubits contrôlables et contribuer au développement d'ordinateurs quantiques à grande échelle.

Afin de réduire le matériel nécessaire pour intervenir au cœur des qubits et de l'électronique à température ambiante, une « cryoélectronique » innovante a été développée. La « cryoélectronique » est une électronique de contrôle et de lecture des qubits fonctionnant à des températures cryogéniques proches des qubits. 

Il a également été démontré que la cryoélectronique fonctionne à des fréquences d'horloge à grande vitesse, quatre degrés au-dessus du zéro absolu. Désormais, l’accent est mis sur la réduction de la consommation d’énergie afin de minimiser la chaleur générée à côté des qubits. 

Les chercheurs japonais se concentrent également sur la recherche de moyens de corriger les erreurs de traitement. Au milieu de cela, des chercheurs de l’Université de Princeton ont développé une technique de fabrication pour une informatique quantique sans erreur.

Dans cette recherche, les scientifiques ont créé une couche supraconductrice sur un isolant topologique, le ditellurure de tungstène (WTe2). Cette technique a utilisé un « grain » de métal (palladium) déposé à la surface de l'isolant pour former une nouvelle structure cristalline, Pd7WTe2, présentant une résistance nulle.

La technique de propagation d’atomes fonctionne avec succès avec une variété d’ingrédients, notamment le ditellurure de molybdène (MoTe2).

Bien que d'autres tests soient nécessaires pour déterminer s'il s'agit d'un supraconducteur topologique, les chercheurs pensent que de nouveaux supraconducteurs peuvent être créés grâce à leur méthode générale.

Remédier à la décohérence et améliorer les performances

Une autre avancée majeure dans le domaine de l'informatique quantique a eu lieu plus tôt cette année lorsque les chercheurs ont introduit une nouvelle approche des circuits supraconducteurs. Cette approche a le potentiel de prolonger considérablement la durée d’exécution d’un ordinateur quantique.

Comme nous l’avons noté, le fonctionnement continu d’un tel ordinateur est interrompu en raison de la facilité avec laquelle l’état quantique d’un qubit peut être déstabilisé. C'est ce qu'on appelle la décohérence et conduit à des erreurs de calcul. Cela se produit en raison des interactions avec d’autres qubits et leur environnement.

Et parce que les qubits supraconducteurs permettent de passer d’un état à l’autre dans les plus brefs délais, ils font l’objet de recherches croissantes. Mais s’ils peuvent améliorer le temps de commutation, ils sont également plus susceptibles de subir une décohérence en quelques millisecondes seulement.

Ainsi, un groupe international de chercheurs a proposé une conception de jonction Josephson, appelée « flowermon ». Cette conception utilise deux flocons de cuprate d’un atome d’épaisseur, un matériau supraconducteur à base de cuivre.

"Le flowermon modernise l'ancienne idée consistant à utiliser des supraconducteurs non conventionnels pour les circuits quantiques protégés et la combine avec de nouvelles techniques de fabrication et une nouvelle compréhension de la cohérence des circuits supraconducteurs."

– Uri Vool, physicien à l'Institut Max Planck de physique chimique des solides en Allemagne

D'après les calculs de l'équipe, leur conception permettrait de réduire le bruit et, par conséquent, d'augmenter considérablement le temps de cohérence des qubits. Cependant, ces résultats étaient purement théoriques, et l'équipe prévoit d'utiliser ces résultats pour optimiser les qubits supraconducteurs.

Pour s’attaquer aux performances des ordinateurs quantiques, l’année dernière, une équipe de chercheurs de l’Université du Minnesota Twin Cities a également développé une diode supraconductrice accordable qui peut non seulement aider à faire évoluer les ordinateurs quantiques, mais également améliorer les systèmes d’intelligence artificielle. 

Une diode est un dispositif qui permet la circulation du courant dans un sens. Bien qu'elles soient généralement fabriquées à partir de semi-conducteurs, les chercheurs ont exploré la fabrication de diodes avec des supraconducteurs, qui permettent un transfert d'énergie sans perte de puissance en cours de route.

L'auteur principal de la recherche, Vlad Pribiag, qui est professeur associé à l'École de physique et de Astronomie, c'est noté:

"Nous voulons rendre les ordinateurs plus puissants, mais nous allons bientôt rencontrer des limites difficiles avec nos matériaux et nos méthodes de fabrication actuels." 

Le plus grand défi pour améliorer la puissance de calcul est la dissipation de l’énergie. L’équipe a donc choisi d’utiliser des technologies supraconductrices.

Le dispositif à diode supraconductrice a été construit en utilisant trois jonctions Josephson. Bien que fabriqués en prenant en sandwich des morceaux de matériau non supraconducteur au milieu de supraconducteurs, les chercheurs ont connecté les supraconducteurs à des couches de semi-conducteurs. 

Cette conception unique a permis aux chercheurs de contrôler le comportement du dispositif grâce à la tension. Il peut également traiter plusieurs signaux électriques simultanément, contrairement aux diodes classiques, qui ne peuvent gérer qu'une seule entrée et une seule sortie chacune. Ces caractéristiques permettent même d'utiliser la diode supraconductrice dans l'informatique neuromorphique inspirée du cerveau.

En informatique neuromorphique, les circuits électriques sont conçus pour copier le fonctionnement des neurones dans le cerveau humain afin d’améliorer les performances.

Selon Mohit Gupta, premier auteur de l'article, cette nouvelle diode supraconductrice est plus économe en énergie que les autres diodes supraconductrices. Plus précisément, pour la première fois, elle est dotée d'une série de portes pour contrôler le flux d'énergie. Cette fonctionnalité n'avait jamais été intégrée à une diode supraconductrice auparavant, mais cette étude a « montré qu'il était possible d'ajouter des portes et d'appliquer des champs électriques pour ajuster cet effet ». 

De plus, le matériau utilisé dans cette recherche était plus convivial pour l’industrie et capable d’offrir de nouvelles fonctionnalités.

La technique utilisée dans cette étude peut encore être utilisé avec tout supraconducteur, ce qui le rend très flexible et compatible avec les applications industrielles. Ces qualités peuvent contribuer à accélérer le développement d’ordinateurs quantiques pour une utilisation plus large.

« À l'heure actuelle, toutes les machines de calcul quantique disponibles sont très basiques par rapport aux besoins des applications concrètes. Une mise à l'échelle est nécessaire pour disposer d'un ordinateur suffisamment puissant pour résoudre des problèmes utiles et complexes. »

– Pribiag

Ce revêt aujourd’hui une importance particulière alors que l’utilisation de l’IA augmente considérablement. Ce a conduit à la recherche d'algorithmes pour ordinateurs ou machines d'IA capables de surpasser les performances des ordinateurs classiques. Cette étude, a souligné Pribiag, développe le matériel permettant aux ordinateurs quantiques d'implémenter ces algorithmes. 

La recherche a été financée principalement par le Département de l’Énergie des États-Unis, avec le soutien partiel de la National Science Foundation et de Microsoft Research.

Réduire les qubits avec des matériaux 2D sans affecter les performances

La recherche et le développement continus ont conduit les scientifiques à construire des qubits supraconducteurs bien plus petits que les qubits habituels. Ces qubits supraconducteurs ont été construits à l’aide de matériaux 2D.

Pour surpasser la vitesse et la capacité des ordinateurs classiques, les qubits des ordinateurs quantiques doivent être sur la même longueur d'onde. Pour y parvenir, les chercheurs doivent généralement sacrifier la taille de ces qubits, qui se mesurent encore aujourd'hui en millimètres, contrairement à leurs homologues classiques, dont les transistors sont réduits à l'échelle nanométrique.

Pour réduire la taille des qubits afin qu'ils n'aient pas une grande empreinte physique tout en conservant leurs performances, James Hone, professeur Wang Fong-Jen de génie mécanique à l'Université de Columbia, a présenté un très petit condensateur qubit supraconducteur.

Auparavant, les ingénieurs utilisaient des condensateurs planaires pour construire des puces qubit. Ici, des assiettes chargées sont mis côte à côte, et pendant que ils peuvent être empilés pour économiser de l'espace, cela interférerait avec le stockage des informations qubit.

Les doctorants de Hone, Anjaly Rajendra et Abhinandan Antony, ont donc intercalé une couche isolante de nitrure de bore entre deux plaques chargées de diséléniure de niobium supraconducteur. Épaisses d'un seul atome, ces couches sont maintenues ensemble par les forces de van der Waals, une interaction faible entre forces électrostatiques. 

Les condensateurs ont ensuite été combinés avec des circuits en aluminium pour créer une puce. Cette puce avait deux qubits et n'avait qu'une épaisseur de 35 nanomètres, soit 1,000 XNUMX fois plus petite que celles produites par des approches conventionnelles.

Une fois refroidis, les qubits ont la même longueur d’onde. On a également observé qu’ils s’emmêlent et agissent comme une seule unité. Cette cohérence quantique, bien que de courte durée (un peu plus d'une microseconde), permet de manipuler et de lire l'état quantique du qubit via des impulsions électriques. Selon Hone :

« Nous savons désormais que les matériaux 2D pourraient être la clé de la création d’ordinateurs quantiques. Il est encore très tôt, mais de telles découvertes inciteront les chercheurs du monde entier à envisager de nouvelles applications des matériaux 2D. Nous espérons voir beaucoup plus de travail dans cette direction aller de l'avant. »

Grâce à leur structure unique, les matériaux quantiques bidimensionnels (2D) ont marqué une avancée majeure dans la science des matériaux. Contrairement aux matériaux 3D, les matériaux quantiques 2D n’ont qu’un ou quelques atomes d’épaisseur et les électrons peuvent se déplacer dans les trois directions.

Certains matériaux 2D populaires incluent le silicene, le graphène, le germanène, le stanène, le phosphorène, les dichalcogénures de métaux de transition (TMDC) et le nitrure de bore hexagonal (h-BN).

Bien que ces matériaux offrent des propriétés diverses et un potentiel d'applications technologiques transformatrices, ils sont confrontés à des défis en termes de synthèse, d'intégration et d'évolutivité qui doivent être pris en compte. être surmonté avant leur plein potentiel peut être réalisé.

Entreprises clés à la tête de la révolution de l’informatique quantique

Examinons maintenant quelques entreprises de premier plan impliquées dans les supraconducteurs et l’informatique quantique :

# 1. Alphabet (Google)

Alphabet est fortement investi dans la recherche en informatique quantique à travers sa filiale Google Quantum AI. La division a créé un processeur quantique supraconducteur appelé Sycamore, qui, en 2019, a pu terminer un calcul en 200 secondes qui autrement aurait pris 10,000 XNUMX ans, même pour un supercalculateur puissant. Depuis, le processeur quantique Sycamore s’est considérablement développé et contient désormais 70 qubits, ce qui le rend 241 millions de fois plus robuste que son modèle précédent.

Le géant de la technologie a une capitalisation boursière de 2.06 billions de dollars et ses actions (GOOGL:NASDAQ) se négocie à 165.68 $, en hausse de 18.56 % depuis le début de l'année. Pour le deuxième trimestre 2, Alphabet a annoncé une augmentation de 2024 % de son bénéfice net à 28.6 milliards de dollars, tandis que ses revenus totaux ont augmenté de 23.6 % à 14 milliards de dollars. La société mère de Google a également annoncé un dividende en espèces de 84.74 $ par action.

# 2. NVIDIA Corporation

NVIDIA explore l'informatique quantique et les supraconducteurs à travers des partenariats et des collaborations. En mars de cette année, la société a annoncé l'accélération de ses efforts en matière d'informatique quantique sur les sites nationaux de calcul intensif en Allemagne, au Japon et en Pologne avec la plateforme open source NVIDIA CUDA-Q™.

Chouchou du marché de l'IA, l'action NVIDIA a connu une année faste, comme en témoigne sa hausse de 161.24 % en 2024. Cette hausse porte l'action NVDA à 129.45 $, portant la capitalisation boursière de l'entreprise à 3.188 1 milliards de dollars. Le fabricant de puces a annoncé un premier trimestre 2024 record, avec un chiffre d'affaires de 22.1 milliards de dollars.

Conclusion

Ainsi, chercheurs, organisations et entreprises du monde entier œuvrent à l'avancement de l'informatique quantique, qui excelle dans la résolution de problèmes complexes. L'accent mis sur la technologie supraconductrice, en particulier, contribue à des progrès significatifs et nous rapproche de la réalisation du plein potentiel de cette technologie transformatrice. 

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