Piloter l'avenir quantique : interférences phononiques et nouveaux matériaux

Contrairement aux ordinateurs classiques, tels que nos ordinateurs portables et nos smartphones, un ordinateur quantique utilise les propriétés de la physique quantique pour effectuer des calculs et stocker des données, ce qui le rend meilleur que certains des meilleurs supercalculateurs actuels dans certaines tâches.

Contrairement au codage des informations en bits binaires (0 ou 1) comme dans les ordinateurs ordinaires, l'unité de mémoire de base d'un ordinateur quantique est un qubit, qui est faite en utilisant des systèmes physiques comme le spin d'un électron ou l'orientation d'un photon. 

Bits quantiques, ou qubits, peut être organisé de plusieurs manières différentes à la fois. Ce signifie qu'ils peuvent représenter simultanément 0 et 1, une propriété appelée superposition quantique. Les qubits peuvent également être lié par intrication quantique, où les particules connectées partagent le même destin quelle que soit la distance qui les sépare.

En conséquence, un ordinateur quantique est cru avoir la capacité d'effectuer des calculs exponentiellement plus rapidement que n'importe quel ordinateur classique. 

Grâce à cet avantage, les ordinateurs quantiques promettent de révolutionner l'informatique moderne. En théorie, ils peuvent optimiser la logistique, décrypter les schémas de chiffrement courants, permettre la découverte de nouveaux médicaments et matériaux, et aider les physiciens à réaliser des simulations physiques. 

Bien que les ordinateurs quantiques ne soient pas encore devenus une réalité, la quête pour en créer un pratique s'accélère à mesure que les grandes entreprises technologiques travaillent à passer de petites expériences en laboratoire à des systèmes fonctionnels complets dans les années à venir.

IBM a déjà présenté son plan détaillé, Jay Gambetta, responsable de l'initiative quantique d'IBM, déclarant au Financial Times que ce n'est plus un rêve :

« J’ai vraiment le sentiment que nous avons déchiffré le code et que nous serons en mesure de construire cette machine d’ici la fin de la décennie. »

Alors que Google, un Alphabet (GOOG ) société détenue, est également confiante dans sa capacité à produire un système à l'échelle industrielle dans ce délai, Amazon (AMZN ) il faut encore quelques décennies pour que ces machines deviennent vraiment utiles.

Il existe clairement une forte concentration sur cette technologie émergente parmi les plus grands acteurs de l’industrie, même si son adoption dans le monde réel continue d’être entravée par plusieurs défis.

Ce Cela inclut la sensibilité des qubits aux perturbations environnementales, également appelées « bruit ». Des facteurs tels que la chaleur, les vibrations et les champs électromagnétiques peut entraîner la perte des propriétés quantiques d'un qubit. Ce processus, appelé décohérence quantique, provoque le crash du système et introduire des erreurs dans les calculs. Cette sensibilité constitue un défi majeur pour la construction et l'exploitation des ordinateurs quantiques.

Afin de protéger les qubits des interférences externes, les scientifiques les isolent physiquement, les maintiennent au frais ou les bombardent d'explosions d'énergie concentrées.

Outre le bruit, la correction d'erreurs, l'évolutivité, les connaissances spécialisées, la forte consommation de ressources et l'intégration aux systèmes classiques constituent d'autres défis auxquels sont confrontés les ordinateurs quantiques. Heureusement, ces questions sont activement abordées par les entreprises et les scientifiques par différentes approches afin de faire des ordinateurs quantiques une réalité. 

Néglectons : particules négligées en informatique quantique

L’une des façons de surmonter la fragilité des qubits pour construire des ordinateurs quantiques stables est de les associer à des éléments mathématiques qui ont déjà été vus comme non pertinent. 

Cette découverte a été rapportée par des mathématiciens la semaine dernière, qui ont noté que des particules négligées appelées Les « négligés » peuvent contribuer à révolutionner le secteur¹.

La quasiparticule dont il est question ici est appelée anyon d'Ising. Elle n'existe que dans les systèmes 2D et constitue le cœur de l'informatique quantique topologique. Cela signifie que les anyons ne stockent pas l'information dans les particules, mais dans la manière dont ils s'enroulent les uns autour des autres, ce qui est beaucoup plus résistant au bruit. Le problème ici est que les anyons d'Ising ne sont pas universels.

Pour résoudre ce problème, l'équipe s'est tournée vers la « théorie quantique topologique non semi-simple des champs ». Cette théorie permet de prédire l'apparition de nouvelles particules inconnues « simplement en comprenant la symétrie de ce qui se passe ».

Selon cela, chaque particule possède une dimension quantique, un nombre qui reflète son « poids » ou son influence dans le système. Alors que la particule de poids nul est généralement rejetée, dans les nouvelles versions non semi-simples, ces particules sont gardés avant comprendre comment faire en sorte que ce nombre ne soit pas zéro.

Les pièces négligées réinterprétées fournissent les capacités manquantes des anyons d'Ising. 

L'étude a démontré qu'avec un seul neglecton, la particule est capable d'un calcul universel par simple tressage. Notamment, les anyons d'Ising peuvent créer des superpositions, car ils dépendent de la forme du chemin de tressage et non d'emplacements précis. sont naturellement protégés de nombreux types de bruit.

Entraîner l'IA à réorganiser efficacement les atomes

Dans un autre cas, les chercheurs utilisé l'IA pour assembler le « cerveau » d'un ordinateur quantique².

Ce que le équipe qu'ont-ils fait ? a utilisé l'intelligence artificielle pour trouver la manière la plus optimale pour assembler rapidement un réseau d'atomes qui pourrait un jour faire office de cerveau d'un ordinateur quantique.

Selon le co-auteur de l’étude, Jian-Wei Pan, physicien à l'Université des sciences et technologies de Chine :

« L’IA pour la science apparaît comme un paradigme puissant pour résoudre des problèmes scientifiques complexes. »

Lors de la construction de « réseaux d’atomes neutres », le défi consiste à trouver le moyen de les réorganiser de manière « efficace, rapide et évolutive », ce que l’IA a résolu.

Les chercheurs utilisent des atomes neutres, des ions piégés et des circuits supraconducteurs pour créer des qubits en raison de leur capacité à maintenir des états quantiques pendant une période relativement longue. Quand les atomes sont utilisés en tant que qubits, ils sont piégés avec la lumière laser et stockent des informations quantiques dans les niveaux d'énergie de leurs électrons.

L’idée est d’utiliser suffisamment d’atomes pour aider un ordinateur quantique à surmonter les erreurs. L'équipe a donc formé le modèle d'IA sur la manière dont les atomes de rubidium (Rb) peuvent être placés en différentes configurations de grille à l'aide de divers motifs de lumière laser. Ensuite, en fonction de la position initiale des atomes, le modèle d'IA peut calculer le motif lumineux précis nécessaire pour les réorganiser en formes 2D et 3D.

Grâce à leur modèle d'IA, l'équipe a assemblé un réseau pouvant contenir jusqu'à 2,024 60 atomes de rubidium en seulement XNUMX millisecondes. L'étude a révélé :

"Ce protocole peut être facilement utilisé pour générer des réseaux sans défaut de dizaines de milliers d’atomes avec les technologies actuelles et devenir une boîte à outils utile pour la correction des erreurs quantiques."

Distillation de l'état magique des qubits logiques

Pendant ce temps, le mois dernier, les scientifiques a réalisé une percée dans le domaine de « l'État magique »³ pour construire des ordinateurs quantiques sans erreur.

Les scientifiques ont en fait démontré un phénomène appelé « distillation d'état magique », qui, bien que proposé il y a deux décennies, n'était pas utilisé dans les qubits logiques jusqu'à présent. Ce est en dépit d'être considéré comme essentiel à la production d'« États magiques », ce qui Ces nécessaires pour exploiter pleinement le potentiel des ordinateurs quantiques.

Ces états sont préparés à l’avance pour être consommés en tant que ressources par des algorithmes quantiques complexes.

Pour être exploités par les algorithmes, les états magiques de la plus haute qualité sont d'abord « purifiés » par un processus de filtrage appelé distillation d'états magiques. Bien que possible sur des qubits physiques simples et sujets aux erreurs, ce processus est impossible sur des qubits logiques. sont configurés pour détecter et corriger les erreurs.

Pour la première fois, des scientifiques ont démontré la distillation d'état magique en pratique sur des qubits logiques.

Grâce à l'ordinateur quantique à atomes neutres Gemini, les scientifiques ont distillé cinq états magiques imparfaits en un seul état magique plus pur. En effectuant cette opération séparément sur les qubits logiques Distance-3 et Distance-5, les scientifiques ont démontré que le processus de distillation s'adapte à la qualité du qubit logique.

En conséquence, la fidélité de l’état magique final dépasse la fidélité de toute entrée, confirmant que la distillation de l’état magique résistant aux perturbations fonctionne réellement dans la pratique.

Déverrouiller la mémoire quantique avec les ondes sonores

La semaine dernière, les scientifiques de Caltech ont publié leurs recherches qui ont démontré les ondes sonores ouvrent une nouvelle voie vers l'informatique quantique pratique⁴.

Ils ont construit une mémoire quantique hybride qui transforme les informations électriques en son. Ce permet aux états quantiques de vivre jusqu'à trente fois plus longtemps que dans les systèmes supraconducteurs standard, où des résonateurs soigneusement conçus permettent aux électrons de former des qubits supraconducteurs qui excellent dans la réalisation d'opérations rapides et complexes, mais ne sont pas adaptés pour un stockage à long terme. 

Le stockage d’informations dans des états quantiques continue d’être un défi, pour lequel les chercheurs créent des « mémoires quantiques » pour conserver les informations quantiques pendant une période dépassant celle des qubits supraconducteurs largement utilisés. Et la nouvelle méthode hybride de l’équipe de Caltech a étendu la mémoire quantique. 

Une fois que vous avez un état quantique, vous ne souhaitez peut-être pas l'utiliser immédiatement. Il vous faut un moyen d'y revenir lorsque vous souhaitez effectuer une opération logique. Pour cela, vous avez besoin d'une mémoire quantique.

– Mohammad Mirhosseini, professeur adjoint de génie électrique et appliqué physique

L'équipe a donc créé un qubit supraconducteur sur une puce et l'a connecté à un minuscule appareil appelé oscillateur mécanique, qui est en fait un diapason à petite échelle. 

Cet oscillateur est constitué de plaques flexibles qui vibrent en réponse à des ondes sonores de fréquences GHz. Sous l'effet d'une charge électrique, ces plaques interagissent avec des signaux électriques porteurs d'informations quantiques, permettant ainsi à ces informations de se propager. être canalisé dans l'appareil pour être stockés en tant que « mémoire », puis ensuite canalisés vers l'extérieur, ou « mémorisés ».

Après mesure, les chercheurs ont découvert que l'oscillateur avait une durée de vie, c'est-à-dire le temps nécessaire pour perdre le contenu quantique une fois l'information est entré dans le dispositif, ce qui était environ 30 fois plus long que celui des meilleurs qubits supraconducteurs.

Au milieu de tous ces progrès, deux nouvelles études soutenues par la National Science Foundation ont abouti à majeur des avancées qui nous rapprochent encore plus de l’utilisation pratique des ordinateurs quantiques.

Nouveaux matériaux quantiques pour des qubits stables

Une équipe de chercheurs de l'Université de technologie Chalmers, L'Université d'Helsinki et l'Université Aalto ont dévoilé un matériau quantique susceptible de révolutionner l'informatique quantique en améliorant la stabilité des ordinateurs quantiques. Pour ce faire, il utilise le magnétisme pour protéger les fragiles qubits du bruit. 

Associée à leur outil informatique permettant de trouver des matériaux avec des interactions magnétiques, cette avancée peut enfin conduire à des ordinateurs quantiques pratiques et tolérants aux pannes.

Le nouveau type de matériau quantique, avec une méthode pour atteindre la stabilité, peut rendre les ordinateurs quantiques plus résilients, ouvrant ainsi la voie à leur utilisation pratique dans le traitement des calculs quantiques.

Ces derniers temps, les chercheurs explorent activement la possibilité de créer des matériaux entièrement nouveaux pour résoudre le problème du bruit en fournissant la protection nécessaire contre les perturbations de leur topologie.

États quantiques qui se produisent et sont soutenus Les excitations topologiques, dues à la structure même du matériau utilisé pour créer les qubits, sont robustes et stables. Le défi, cependant, reste de trouver des matériaux capables de supporter naturellement des états quantiques robustes.

La dernière étude a réussi à développer un tel nouveau matériau quantique pour qubits qui présente des excitations topologiques robustes⁵.

Ce marque une avancée prometteuse vers l'informatique quantique topologique pratique en intégrant la stabilité dès la conception du matériau.

Selon l'auteur principal de l'étude, Guangze Chen, chercheur postdoctoral en physique quantique appliquée à Chalmers :

Il s'agit d'un type de matériau quantique exotique totalement nouveau, capable de conserver ses propriétés quantiques même exposé à des perturbations externes. Il pourrait contribuer au développement d'ordinateurs quantiques suffisamment robustes pour réaliser des calculs quantiques en pratique.

Les « matériaux quantiques exotiques » font référence à plusieurs nouvelles classes de solides dotés d’une résilience profonde et de propriétés quantiques extrêmes, et la recherche de tels matériaux a longtemps été un défi.

Maintenant, en ce qui concerne la nouvelle méthode de l’équipe, le magnétisme est la clé. Ce que les chercheurs ont traditionnellement fait, c'est suivre une « recette » établie de longue date basée sur le couplage spin-orbite (SOC). Ce est une interaction quantique qui relie le spin d'un électron à son mouvement orbital autour du noyau atomique pour créer des excitations topologiques. 

Mais cela est assez rare et ne peut être utilisé que sur un nombre limité de matériaux. L'équipe a donc présenté une nouvelle méthode pour obtenir le même effet. Cette méthode innovante utilise le magnétisme, une méthode plus courante et accessible.

En tirant parti des interactions magnétiques, l’équipe a pu créer des excitations topologiques robustes nécessaires au calcul quantique topologique.

« L'avantage de notre méthode réside dans le fait que le magnétisme est naturellement présent dans de nombreux matériaux. On peut comparer cela à la cuisson au four avec des ingrédients courants plutôt qu'avec des épices rares », a souligné Chen. « Cela signifie que nous pouvons désormais rechercher des propriétés topologiques dans un spectre beaucoup plus large de matériaux, y compris ceux qui étaient auparavant été négligé. »

En plus d’un nouveau matériau et d’une nouvelle méthode, les chercheurs ont également développé un tout nouvel outil informatique.

Cet outil leur a permis de trouver plus rapidement de nouveaux matériaux présentant les propriétés topologiques souhaitées. Il permet de calculer directement la résistance du comportement topologique d'un matériau.

"Notre espoir est « Cette approche peut contribuer à la découverte de nombreux matériaux plus exotiques », a déclaré Chen. « À terme, cela pourrait conduire à des plateformes d'ordinateurs quantiques de nouvelle génération, construites sur des matériaux naturellement résistants aux perturbations qui affectent les systèmes actuels. »

Exploiter la puissance inexploitée des phonons

Une autre avancée a été réalisée été réalisé par des chercheurs de l'Université Rice, qui pourraient ouvrir la voie aux technologies de prochaine génération en matière de détection et d'informatique. montré une forte forme d'interférence entre les phonons⁶.

Les phonons sont des vibrations dans la structure d’un matériau qui constituent les plus petites unités de chaleur ou de son dans ce système. 

Lorsque deux phonons de distributions de fréquences différentes entrer en interférence entre eux, ce phénomène est connu sous le nom de Résonance de FanoL’étude a rapporté une résonance Fano de deux ordres de grandeur plus grande que jamais.

« Bien que ce phénomène soit bien étudié pour des particules comme les électrons et les photons, l’interférence entre les phonons a été beaucoup moins exploré« », a déclaré Kunyan Zhang, premier auteur de l'étude et ancien chercheur postdoctoral à Rice. « C'est une occasion manquée, car les phonons peuvent conserver leur comportement ondulatoire pendant longtemps, ce qui les rend prometteurs pour des dispositifs stables et performants. »

L’étude a démontré efficacement que les phonons peuvent être exploités avec autant de succès que la lumière ou les électrons, ouvrant la voie à une technologie de nouvelle génération basée sur les phonons. La base de cette avancée réside dans l’utilisation d’un métal 2D sur une base en carbure de silicium.

Entre une couche de graphène et de carbure de silicium, l’équipe a inséré quelques couches d’atomes d’argent en utilisant la technique d’hétéroépitaxie par confinement, ce qui a produit une interface étroitement liée avec des propriétés quantiques exceptionnelles.

« Le métal 2D déclenche et renforce l'interférence entre les différents modes vibratoires du carbure de silicium, atteignant des niveaux records. »

– Zhang

Pour leur travail, l’équipe a exploré juste comment les phonons interfèrent les uns avec les autres. Pour cela, ils ont étudié la forme de leur signal en spectroscopie Raman, une technique utilisée pour mesurer les modes vibrationnels d'un matériau. Les chercheurs ont découvert une ligne fortement asymétrique, présentant parfois un creux complet, formant un motif d'antirésonance caractéristique d'interférences intenses.

Cet effet a montré une grande sensibilité aux spécificités de la surface du carbure de silicium (SiC).

En comparant trois terminaisons de surface SiC uniques, les chercheurs ont constaté un lien étroit entre chacune d'elles et la forme unique de la raie Raman. De plus, la forme de la raie spectrale changeait sensiblement lorsqu'une seule molécule de colorant était appliquée. a été présenté à la surface.

« Cette interférence est si sensible qu'elle permet de détecter la présence d'une seule molécule », a déclaré Zhang. « Elle permet la détection de molécules individuelles sans marquage grâce à une configuration simple et évolutive. Nos résultats ouvrent une nouvelle voie pour l'utilisation des phonons en détection quantique et en détection moléculaire de nouvelle génération. »

En examinant la dynamique de l’effet aux basses températures, c'était confirmé que l'interférence provient uniquement des interactions des phonons et non des électrons, ce qui en fait un cas rare d'interférence quantique uniquement phononique. 

L’équipe a observé cet effet uniquement dans le système de carbure de silicium 2D qu’elle a utilisé en raison des configurations de surface et des voies de transition spéciales permises par la couche mince.

« Par rapport aux capteurs conventionnels, notre méthode offre une sensibilité élevée sans nécessiter d'étiquettes chimiques spéciales ou de configuration d'appareil compliquée », a déclaré le co-auteur Shengxi Huang, professeur agrégé de génie électrique et informatique et science des matériaux et nano-ingénierie à Rice. « Cette approche basée sur les phonons non seulement fait progresser la détection moléculaire, mais ouvre également des perspectives prometteuses dans le domaine de l'énergie. » la récolte, la gestion thermique et les technologies quantiques, où le contrôle des vibrations est essentiel.

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Investir dans l'informatique quantique

Plusieurs géants et investisseurs du secteur technologique misent gros sur les avancées quantiques. Parmi eux, on compte IBM (IBM ), Google, Amazon, Microsoft (MSFT ), et bien d'autres. Ils développent tous leurs initiatives quantiques, tandis que le capital-risque continue d'affluer sans interruption vers les startups qui explorent de nouveaux matériaux, la correction d'erreurs et les technologies phononiques.

Microsoft (MSFT )

Parmi tous ces grands noms, Microsoft se distingue particulièrement. L'entreprise a encouragé les investissements dans les technologies quantiques et la fusion, les présentant comme des technologies complémentaires pour alimenter les futurs centres de données pilotés par l'IA. Dans le même ordre d'idées, le laboratoire d'IA quantique de Google et les feuilles de route quantiques pluriannuelles d'IBM reflètent leur objectif de développer des machines quantiques fonctionnelles d'ici dix ans.

Le cours de l'action Microsoft est passé d'environ 354 $ début avril 2025 à un pic supérieur à 524 $ en août, avant de retomber autour de 509 $ le 19 août. La valorisation actuelle de l'entreprise comprend un ratio cours/bénéfice de 38.1, un bénéfice par action (TTM) de 13.70 $ et un rendement du dividende de 0.59 %. Pour l'exercice 2025, le chiffre d'affaires s'est élevé à 281.7 milliards de dollars et le bénéfice net à 101.8 milliards de dollars. La demande pour ses activités cloud et IA, en particulier, contribue à la croissance de ses performances.

Actualités Microsoft Corporation (MSFT) Actualités et développements boursiers

Conclusion

Les ordinateurs quantiques offrent la possibilité d’effectuer des calculs complexes à des vitesses bien supérieures à celles des ordinateurs quantiques. dépassant celles des ordinateurs classiques, ce qui promet de permettre des percées dans divers domaines, notamment la découverte de médicaments, la science des matériaux, l'IA et la cryptographie.

Mais bien sûr, les ordinateurs quantiques sont loin d’être une réalité. , confrontés à des défis tels que le bruit, l'évolutivité, la stabilité, le stockage, la mémoire et le contrôle. Du côté positif, cependant, les chercheurs font des progrès constants sur tous ces fronts différents, et ensemble, ils nous rapprochent du déblocage des ordinateurs quantiques pratiques !

Cliquez ici pour obtenir une liste des cinq principales sociétés d’informatique quantique.

Références:

1. Iulianelli, F., Kim, S., Sussan, J., et al. Calcul quantique universel utilisant des anyons d'Ising à partir d'une théorie quantique des champs topologiques non semi-simple. Communications Nature, 16, 6408, publié le 05 août 2025. https://doi.org/10.1038/s41467-025-61342-8
2. Ahart, J. (2025 août 15). L'IA aide à assembler le « cerveau » du futur ordinateur quantique. Nature. https://doi.org/10.1038/d41586-025-02577-9
3. Sales Rodriguez, P., Robinson, JM, Jepsen, PN, et al. Démonstration expérimentale de la distillation de l'état magique logique. Nature, publié le 14 juillet 2025. https://doi.org/10.1038/s41586-025-09367-3
4. Bozkurt, AB, Golami, O., Yu, Y., et al. Une mémoire quantique mécanique pour les photons micro-ondes. Physique de la nature, publié le 13 août 2025. https://doi.org/10.1038/s41567-025-02975-w
5. Lippo, Z., Pereira, EL, Lado, JL, & Chen, G. Modes zéro topologiques et pompage de corrélation dans un réseau Kondo conçu. Physical Review Letters, 134(11), 116605, publié en mars 2025. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.134.116605
6. Zhang, K., et al. Interférence quantique phononique accordable induite par des métaux bidimensionnels. Science Advances, 11, eadw1800, publié en 2025. https://doi.org/10.1126/sciadv.adw1800