Ordinateur quantique : un temps de décohérence record de 39 minutes

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Différentes voies sont explorées pour obtenir des mémoires d'ordinateurs quantiques. Il faut être en mesure de stocker des qubits d'informations pendant un temps suffisamment long avant que la décohérence ne détruise la superposition des états permettant les calculs quantiques. Un groupe de chercheurs vient de battre un record du monde avec des systèmes solides, en l'occurrence des noyaux de phosphore dans un bloc de silicium : 39 minutes et, surtout, à température ambiante.
Le prix Nobel de physique Richard Feynman s'est intéressé à la réalisation d'ordinateurs quantiques au début des années 1980. Il est considéré comme un des pionniers de ce domaine. © Tamiko Thiel, Wikimedia Commons, cc by sa 3.0
ordinateurs classiques, basés sur les travaux d'Alan Turing, effectuent leurs calculs à l’aide de bits d’informations selon les règles de la physique classique. L’état élémentaire d’un circuit portant un bit d'information y est soit 0 soit 1. Mais en utilisant des qubits, ou bits quantiques, où l’état élémentaire d’un système quantique est à la fois 0 et 1, il est en théorie possible d’effectuer bien plus rapidement certains types de calculs, comme Richard Feynman a été l’un des premiers physiciens à en prendre conscience. Tout se passe un peu comme si les lois de la mécanique quantique, en l'occurrence le principe de superposition des états, autorisaient des sortes de calculs en parallèle. On sait déjà construire des ordinateurs quantiques qui reposent sur ces idées. Mais leurs capacités de calcul restent pour le moment très en dessous de celles de la plus modeste des calculatrices programmables de poche des années 1970.

La raison en est que des objets de grande taille, bien qu’ultimement soumis aux lois de la physique quantique gouvernant leurs atomes, se comportent comme des objets qui ne sont plus quantiques. C’est pourquoi lors de la fameuse expérience du chat de Schrödinger, celui-ci est toujours observé vivant ou mort, jamais vivant et mort. Intervient alors le phénomène dit de décohérence, dont l'existence a été démontrée par les travaux du prix Nobel Serge Haroche. Pour comprendre dans les grandes lignes ce phénomène de décohérence et en quoi il constitue un obstacle pour la construction d’unordinateur quantique performant, on peut prendre comme analogie celle d’un château de cartes.

Fin 2009, des chercheurs français ont publié une avancée déterminante pour la fabrication d’un ordinateur quantique : un dispositif de lecture haute fidélité d’un bit quantique (ou qubit) pour, un jour, parvenir à effectuer des calculs inaccessibles aux ordinateurs actuels. Tout ceci paraît-il trop compliqué et réservé aux initiés ? Voilà un reportage pour démystifier l'informatique quantique. © Réalisation : Malo Delarue ; production : Universcience

Le verrou de la décohérence pour les ordinateurs quantiques

Pour réaliser un ordinateur quantique surpassant un ordinateur classique, il faut en effet disposer d’un grand nombre de qubits. On peut se les représenter comme les éléments d’un château de cartes. Plus il prend de la hauteur, plus il est instable. Quand il atteint quelques étages, un minuscule courant d’air ou une petite vibration de la table suffit pour que tout le château s’écroule. De façon générale donc, plus le château est grand, plus il a de risques de s’effondrer vite, à moins de le placer dans une chambre sous vide ou sur une table l’isolant des vibrations du sol par exemple.

Le problème est similaire avec des qubits. Il faut généralement refroidir presque au zéro absolu les systèmes quantiques constitués des quelques atomes seulement qui portent ces qubits pour les isoler suffisamment longtemps du bruit de fond ambiant, souvent thermique, généré par le reste de l’univers. Même ainsi, on dispose d'un temps trop court pour pouvoir effectuer autre chose que quelques timides calculs quantiques. Il est donc facile de comprendre pourquoi, et malgré l'annonce récente par Google de l’acquisition d'un calculateur quantique de la société D-Wave Systems, le scepticisme est généralement de mise quand on parle de la révolution des ordinateurs quantiques, ou lorsqu’un groupe de recherche prétend avoir réussi à protéger longtemps de la décohérence un système physique portant des qubits.

Malgré tout, l’annonce faite par un groupe de physiciens anglais et canadiens concernant l’obtention d’un record de temps de cohérence de 39 minutes est à prendre tout à fait au sérieux. Elle vient d’être faite dans un article de Science.

Des milliards de qubits à température ambiante

Les chercheurs sont parvenus à stocker des qubits à l’aide du spin des noyaux d’atomes de phosphore contenus dans un ruban de silicium. Ces noyaux se comportent comme des toupies magnétiques dont l’axe de rotation peut être orienté et basculer à l’aide de champs magnétiques. Les scientifiques ont tout d’abord refroidi le ruban de silicium et les noyaux qu’il contient presque au zéro absolu, à savoir 4 K, et ont placé le tout dans un champ magnétique. Il était alors possible de placer le spin des noyaux de phosphore dans un état de superposition quantique sous forme de qubits à l’aide de petites impulsions magnétiques supplémentaires.

Les physiciens ont ensuite constaté qu’à cette température de 4 K, la cohérence quantique pouvait subsister trois heures. Mais la performance la plus extraordinaire a été atteinte quand le système a été amené à la température ambiante, c'est-à-dire 25 °C. Un temps de cohérence quantique de 39 minutes a été mesuré, ce qui est dix fois plus long qu’avec les expériences précédentes du même genre. Dans cette catégorie, avec des qubits quantiques à l’intérieur d’un bloc de matière solide, c’est le record du monde du temps de cohérence.

Ce record est évidemment encourageant pour les ordinateurs quantiques du futur. Toutefois, les dix milliards de noyaux des atomes de phosphore dans cette expérience sont tous dans un même état quantique. Il faudrait pouvoir manipuler l’état de chacun de ces noyaux pour pouvoir effectuer des calculs. Comme il suffit d’environ 1/100.000 de seconde pour basculer l’état des noyaux de 0 à 1 ou inversement, il serait alors possible d’effectuer deux millions d’opérations avant que 1 % de ces noyaux ne soit affectés par la décohérence. Les scientifiques sont encore loin de pouvoir réaliser un tel exploit.