Simplifier les systèmes quantiques

En termes bruts, notre société de l'information numérique est basée sur une simple opposition binaire: 0 ou 1. Mais que se passe-t-il lorsque d'autres alternatives existent à côté de ces opposés polaires? Cela pourrait-il donner lieu à toute une série d'états différents et nous permettre de traiter des informations complexes beaucoup plus rapidement ?

C'est précisément la perspective de dépasser les méthodes conventionnelles de traitement des données qui a suscité tant d'espoirs dans le domaine de la physique quantique - non seulement chez les scientifiques de la recherche fondamentale et théorique, mais aussi chez les PDG des grandes entreprises. Si cette vision se concrétisait et que les ordinateurs se comportaient conformément aux lois de la mécanique quantique, cela ouvrirait la porte à un tout nouveau monde d'applications. Par exemple, un système aussi puissant serait capable de déterminer le mécanisme des protéines à un rythme radicalement plus rapide que celui qu'un ordinateur conventionnel pourrait jamais espérer atteindre. Ce qui, à son tour, accélérerait massivement le développement de nouveaux médicaments.

Un chemin rocailleux

Compte tenu de ces perspectives, il n'est pas étonnant que la physique quantique exerce une fascination bien au-delà de son cercle immédiat. Pourtant, le chemin qui nous mènera à un ordinateur quantique capable de répondre aux questions du quotidien est semé d'embûches - et beaucoup plus long que ce que beaucoup sont prêts à admettre. «Nous parlons de décennies, et non d'années, avant d'en arriver là», déclare Jonathan Home, professeur d'optique quantique expérimentale et de photonique à l'ETH Zurich. Et le professeur Home est l'un de ceux qui travaillent dans un domaine où la recherche quantique est relativement avancée. Il utilise des atomes individuels comme qubits. Il s'agit des unités d'information de base utilisées par un ordinateur quantique pour effectuer des calculs. Jonathan Home utilise des atomes de béryllium et de calcium retenus dans des pièges à ions électriques spéciaux. Ceux-ci sont ensuite manipulés avec un laser selon les lois de la mécanique quantique. «Les atomes sont d'excellents systèmes de traitement de l'information parce qu'ils peuvent être isolés - et parce que, à condition qu'ils restent isolés, ils peuvent stocker des informations quantiques pendant quelques secondes, voire quelques minutes», explique-t-il.

Toutefois, pour pouvoir utiliser ces informations, ces fragiles objets quantiques doivent être reconnectés avec le monde physique quotidien. Au cours de cette étape, les moindres anomalies peuvent corrompre l'ensemble du système. La question est donc de savoir comment réduire cette susceptibilité aux erreurs et, en même temps, augmenter le nombre de qubits.

Plus simple et plus robuste

Une approche évidente consiste à doter les systèmes d'un certain degré de redondance, c'est-à-dire à relier plusieurs qubits physiques à un seul qubit logique. Mais cette solution présente un inconvénient majeur. Bien que la redondance rende le système plus stable, elle le rend aussi exponentiellement plus complexe - et, par conséquent, beaucoup plus sensible aux erreurs.

Cela nécessite non seulement une technologie de contrôle sophistiquée et beaucoup de savoir-faire en matière d'ingénierie, mais aussi une meilleure compréhension des corrélations physiques. Selon Jonathan Home, le développement des ordinateurs quantiques a déjà apporté des avantages concrets, même si la technologie actuelle est encore loin de pouvoir étudier les structures des protéines: «En substance, nos expériences constituent un test d'endurance pour les théories physiques. Les résultats nous donnent alors de nouvelles idées sur la façon dont le monde quantique fonctionne.» L'une des grandes forces de l'ETH Zurich est que les chercheur·ses y travaillent sur des approches très différentes. Les pièges à ions utilisés par Jonathan Home ne sont qu'une des nombreuses voies qui pourraient permettre une percée. Les circuits supraconducteurs sont une autre option prometteuse. «Il est très inhabituel qu'une université poursuive autant d'approches différentes», déclare-t-il.

Une infrastructure hautement spécialisée

À l'instar de ses collègues, Jonathan Home nourrit de grands espoirs pour le bâtiment de physique prévu sur le campus de Hönggerberg. Financé par une dotation de Walter Haefner, ce bâtiment comprendra des laboratoires hautement spécialisés, exceptionnellement bien isolés des interférences extérieures. C'est ici que les scientifiques tenteront de repousser les limites de la recherche quantique. Ce faisant, il·les exploreront également des idées qui n'en sont encore qu'à leurs débuts.

Une voie potentielle est l'utilisation d'électrons libres dans les matériaux semi-conducteurs. Ceux-ci sont capables de se déplacer librement sans être influencés par la structure du réseau cristallin et présentent des propriétés mécaniques quantiques qui peuvent être utilisées pour le traitement de l'information. «Mais pour cela, les semi-conducteurs doivent être extrêmement purs», explique Werner Wegscheider, qui, en tant que professeur de physique des solides, a l'expérience de la production de ces matériaux spécialisés. Il utilise une chambre à vide pour fabriquer des semi-conducteurs personnalisés, atome par atome. «Nous fabriquons les semi-conducteurs les plus purs du monde», déclare-t-il avec fierté. Ces matériaux peuvent présenter des propriétés totalement nouvelles. Lorsqu'ils sont refroidis à une très basse température et exposés à un champ magnétique, les électrons libres se condensent pour former une quasi-particule. En d'autres termes, ils se comportent collectivement à la manière d'une particule unique et peuvent donc être décrits mathématiquement. Les chercheur·ses ont de bonnes raisons de penser que ces systèmes quantiques topologiques sont plus résistants aux perturbations que les autres objets quantiques - ce qui explique précisément pourquoi ils sont moins sujets aux erreurs.

Un effort louable

Les systèmes quantiques topologiques offrent un exemple particulièrement soigné de la manière dont, en physique, la théorie et l'expérience peuvent s'enrichir mutuellement. L'effet Hall quantique fondamental qui sous-tend ces systèmes a été découvert expérimentalement. Cet effet a ensuite été décrit théoriquement. La théorie qui en résulte a ensuite permis de prédire les états topologiques qui suscitent actuellement l'enthousiasme des chercheur·ses. Il reste encore à vérifier expérimentalement si ces états prédits par la théorie existent réellement dans la pratique. Si les physicien·nes expérimentales·aux peuvent le démontrer, il·les pourraient bientôt renvoyer le problème à une élaboration théorique supplémentaire.

Comme Jonathan Home, Werner Wegscheider prévient qu'il faudra un certain temps avant qu'un ordinateur quantique puisse résoudre des problèmes pratiques dépassant le cadre de la physique quantique. «Il y a trois ans, j'étais encore sceptique, mais aujourd'hui, je suis assez confiant dans le fait que nous y arriverons», dit-il.

À l'heure actuelle, on ne sait toujours pas laquelle des différentes approches prévaudra en fin de compte. La réponse pourrait bien résider dans un mélange de différentes solutions - des semi-conducteurs avec des circuits supraconducteurs, par exemple. «Lorsque ces deux options sont combinées, on obtient des quasi-particules connues sous le nom de fermions de Majorana, dont on pense qu'elles sont moins sujettes aux erreurs», explique Werner Wegscheider. Yiwen Chu, professeure adjointe de systèmes quantiques hybrides, étudie les combinaisons de différents systèmes quantiques. «Il existe toute une gamme d'objets quantiques, comme les photons, les ions ou même les circuits supraconducteurs», explique-t-elle. «Tous ont leurs forces spécifiques, mais aussi des inconvénients. La question est de savoir comment réunir ces éléments de manière à combiner leurs forces.»

Combler le fossé

Son modèle est l'ordinateur classique, qui utilise, par exemple, une puce de silicium pour traiter les informations et une fibre optique pour transférer les données. Par analogie, un système quantique pourrait utiliser des circuits supraconducteurs pour traiter les données, qui seraient ensuite transférées par des photons. «Mais il s'avère que ces deux objets quantiques ne sont pas particulièrement compatibles», explique Yiwen Chu. Il faut donc trouver une solution pour combler le fossé. Son groupe de recherche et elle étudient actuellement l'utilisation de petits cristaux à cette fin. En tant qu'objets mécaniques, ils sont capables de communiquer avec les deux parties par le biais de vibrations acoustiques.

En même temps, il se pourrait bien que ces cristaux soient eux-mêmes capables de stocker et de traiter des informations quantiques. «Les cristaux utilisent des vibrations acoustiques, qui sont beaucoup plus lentes que les ondes lumineuses, et nous pourrions donc les utiliser pour construire des qubits plus petits», explique-t-elle. Pourtant, son objectif principal n'est pas de loger autant de qubits que possible sur une surface donnée. L'avantage est plutôt que ces cristaux peuvent être isolés les uns des autres beaucoup plus facilement que, par exemple, les circuits supraconducteurs. Le degré d'isolation plus élevé empêche une perte indésirable d'informations, ce qui contribue à réduire la vulnérabilité aux erreurs. Pourtant, le plus grand défi de tous est que, à mesure que de plus en plus de qubits sont connectés entre eux, le système lui-même doit devenir de plus en plus complexe.

Pourtant, il serait erroné, dit-elle, de considérer l'ordinateur quantique comme un problème purement technique. «Il y a aussi beaucoup de questions sans réponse du côté de la physique». L'une d'entre elles est de savoir si la transition entre les mondes de la physique classique et de la physique quantique est continue ou abrupte. «Nous n'avons pas encore de réponse définitive à ce problème», dit Yiwen Chu. «Mais quoi qu'il en soit, ce sera une période passionnante pour nous, physicien·nes !»

Ce texte est paru dans le numéro du 21/03 du magazine Globe de l'ETH Zurich.