|
|
|
L’ordinateur quantique &
Fabrication d’un ordinateur quantique (II) Avant d’envisager les applications d'un ordinateurs quantique, voyons comment on peut le fabriquer, l’occasion de faire un saut dans le futur. Du fait qu’un ordinateur quantique manipule des qubits, sa fabrication n’a plus rien à voir avec celle d'un ordinateurs conventionnel; son processeur ne contient plus de transistor ou de diode par exemple. Il faut élaborer une nouvelle et très haute technologie capable de faire exister des qubits en superpositions d’états 0 et 1. La méthode pour y parvenir…n’existe pas; nous en sommes encore au stade expérimental avec tous les échecs et les quelques succès que cette étape sous-entend. Aujourd'hui il existe plusieurs technologies : - Le laser et le point quantique - L'ordinateur RMN solide - L'ordinateur liquide ou à gaz - L'ordinateur à semi-conducteurs. A. Laser et point quantique L’une des solutions pour créer un qubit consiste à élaborer un “point quantique” qui est fondamentalement un électron piégé dans une cage d’atomes, performance technique qui est aujourd’hui accessible aux laboratoires de Bell ou d’IBM par exemple qui peuvent manipuler des atomes individuellement. Lorsque ce minuscule “point” est éclairé par une impulsion laser d’une longueur d’onde et d’une durée bien déterminée, l’électron passe dans un état excité. Une seconde impulsion laser provoque sa chute vers son état fondamental. L'état fondamental et l'état excité de l’électron représentent respectivement les états 0 et 1 d’un qubit, l’application du rayon laser représentant une fonction NOT provoquant le changement d’état, 0 vers 1 ou 1 vers 0 du qubit. Si l’impulsion laser est moitié moins longue que la durée nécessaire à la fonction NOT, l’électron passe dans une superposition d’états fondamental et excité simultanément; cela correspond à l’état d’imbrication quantique du qubit. Des fonctions logiques plus complexes peuvent être créées en utilisant des points quantiques arrangés par paires. Si ce principe fonctionne en théorie, la création d’un ordinaire quantique de cette manière présente certaines difficultés qui empêchent actuellement de progresser. - L’électron reste dans son état excité environ 1 microseconde avant de retomber dans son état fondamental plus stable. Or la durée d’une impulsion laser est mille fois plus courte (1 ns). Ce problème technique limite actuellement le nombre de calculs intermédiaires avant que l’information ne soit perdue. - La construction de points quantiques est rendue difficile du fait de leur taille minuscule. Un point quantique mesure à peine 10 atomes de longueur, soit 1 nanomètre. La technologie informatique actuelle ne permet pas d’élaborer de telles points. - Enfin, pour éviter de loger des milliers de lasers dans un très petit espace, les points quantiques pourraient être fabriqués de manière à pouvoir répondre à différentes fréquences lumineuses. Un système laser pourrait ainsi émettre différentes lumières et s’adapter de lui-même à différents types de points quantiques. Mais ici également la technologie n’existe pas.
B. Les ordinateurs solides, liquides ou à gaz Les chercheurs du MIT, IBM ou du JPL ont experimenté d’autres solutions que le point quantique pour élaborer leur ordinateur quantique. Plusieurs techniques font appel à des molécules ou des atomes individuels ou encore à la polarisation d’une lumière laser comme support d’information. Une nouvelle fois le principal problème est la décohérence. On a tenté de protéger les expériences des effets de l’environnement en les refroidissants par exemple jusqu’à un millième de degré du zéro absolu, mais ces solutions ne donnent pas entière satisfaction. La solution la plus intéressante prend une approche totalement différente. Elle assume que le milieu quantique doit être isolé de son environnement et de très petite dimension, l’information étant stoquée dans une mer de molécules. Exposée à un champ magnétique, chaque noyau des molécules tourne dans une certaine direction représentant son état : un spin orienté vers le haut représente l’état 1, un spin vers le bas, l’état 0. C’est le principe utilisé par la résonance magnétique nucléaire (RMN) qui permet, grâce à l’émission d’ondes radios spécifiques, de détecter les changements de spin.
Comment fonctionne un système RMN ? A l'image des installations médicales, les équipements RMN utilisées en physique quantique sont constitués d'aimants supra-conducteurs capables de générer des champs magnétiques supérieurs à 2 Tesla. Cette intensité est nécessaire car la sensibilité du système augmente proportionnellement à l'intensité du champ magnétique. Pour étudier les structures atomiques et moléculaires, les champs radiofréquences sont de l'ordre de 500 à 750 MHz. Ces aimants sont constitués d'une bobine de fil plongée dans un dewar contenant de l'hélium liquide à -269°C, lequel est entouré d'un second dewar contenant de l'azote liquide à -196°C. Ces très basses températures permettent de supprimer la résistance électrique des fils conducteurs et d'obtenir des ampérages très importants dans la bobine (30-90 A) sans dissipation de chaleur (effet joule nul). L'avantage de ce système est de ne pas consommer d'électricité pour générer les champs magnétiques. La seule contrainte est qu'il faut remplacer plusieurs dizaines de litres d'hélium et d'azote liquides périodiquement pour assurer la supra-conductivité. A défaut, la bobine remonte en température et le système perd ses propriétés supra-conductrices, les liquides s'évaporant en abîmant éventuellement l'aimant.
Un ordinateur quantique utilisant la technologie RMN est réduit à une molécule et ces qubits sont représentés par les noyaux atomiques contenus dans la molécule. En fait pour effectuer les calculs le système n’utilise pas une seule molécule mais une “soupe” ou une “tasse” de molécules liquides. L’avantage de cette méthode est d’éviter tout risque d’erreur : même si les molécules du liquide sautent dans un autre état, l’état de spin des noyaux qu’elles contiennent restent inchangés. Le problème de la décohérence reste toutefois présent, mais il apparaît beaucoup plus tard que dans toute autre technique entrevue jusqu’à présent. Selon les résultats obtenus en 2001 par Isaac Chuang du centre de recherche Almaden d'IBM, quelques milliers d’opérations logiques primitives pourraient être exécutées avant que les qubits ne décohèrent. Les premiers résultats probants furent obtenus par Isaac Chuang en 1998. Avec son équipe il parvint à créer un ordinateur quantique à 2 qubits dans un dé à coudre de chloroforme et parvint à calculer les différentes périodicités d'une fonction. Il parvint également à retrouver une donnée parmi quatre en une seule étape en appliquant l'algorithme de Grover. Le travail actuel des chercheurs consiste à réaliser des tâches plus complexes qui requièrent un plus grand nombre de qubits, donc plus de molécules et plus de nucléi. En 2001, Chuang et son équipe sont parvenus à créer un système contenant 7 qubits qui leur permit de réaliser la factorisation du nombre 15 grâce à l'algorithme de Shor. En pratique cela correspond à contrôler un milliard de milliards de molécules ! Cela dit la solution de chloroforme est instable et sa durée de vie est limitée à quelques minutes. Neil Gershenfield, directeur du Media Lab du MIT, travaille actuellement sur les molécules de caféine qui lui permettraient de disposer d’un ordinateur quantique de 10 qubits. Chuang et Gershenfield n’envisagent toutefois pas de solutions au-delà de 15 ou 20 qubits du fait que les signaux magnétiques qui mesurent l'orientation des spins et déterminent les états quantiques deviennent excessivement faibles à mesure que le nombre de qubits augmentent, faiblissant d’un facteur voisin de 2 pour chaque qubit supplémentaire. C. Les semi-conducteurs Voyant les limites de la RMN, Colin Williams du JPL de la NASA a suggéré de fixer les qubits dans des semi-conducteurs ou sur des photons piégés dans des cavités optiques. Les méthodes pour y parvenir sont variées : les uns utilisent des électrons confinés dans des nanostructures semi-conductrices, les autres des noyaux associés avec des impuretés mono-atomiques dans un semi-conducteur ou encore des flux électroniques ou magnétiques circulant dans des supra-conducteurs. Quelle que soit la méthode utilisée, combien de qubits pourrait-on manipuler au maximum ? En théorie plusieurs centaines mais probalement jamais dans des solutions organiques mais plutôt sous forme de semi-conducteurs. Selon David Deutsch, un ordinateur de 100 qubits permettrait de simuler le fonctionnement de tout un cerveau humain. Rappelons qu'avec 100 milliards de neurones (1011), l'équivalent numérique du cerveau devrait gérer quelque 21011 états possibles ! Le cortex humain dispose au mieux de 1015 synapses et 10000 contacts par cellule. Cela signifie qu'un ordinateur quantique de 100 qubits serait capable de traiter l'équivalent de 1019 bits d’information soit, en jargon informatique l’équivalent d’une puissance de 10000 Teraflops ! Avec 300 qubits on estime pouvoir simuler le Big Bang... Mais soyons réalistes, avec 7 qubits sont sommes encore loin de pouvoir concevoir un ordinateur quantique à même de rivaliser avec ne fut-ce qu'un ordinateur de poche. Par ailleurs les prototypes actuels restent très instables. Dernier chapitre Applications
des ordinateurs quantiques
|
||||||||||||||||||||||||||||||
