Résumé :
Bien que les ordinateurs quantiques disposent depuis longtemps d'un potentiel informatique incroyable, ils ont toujours été confrontés à des défis en matière de stockage d'informations. Aujourd'hui, une équipe de recherche de l'École polytechnique fédérale de Zurich (ETH Zurich) a proposé une nouvelle architecture informatique quantique qui stocke les informations en provoquant des vibrations mécaniques dans les microstructures, réduisant ainsi considérablement la taille de la mémoire quantique et devrait jeter les bases des futurs ordinateurs quantiques universels programmables.
La nouvelle puce quantique développée par l'équipe de recherche utilise un minuscule composant appelé « résonateur mécanique ». Lorsqu’un système doit préserver des informations quantiques, ces structures commencent à vibrer à des fréquences extrêmement élevées et les informations sont stockées dans ces états vibratoires. La puce entière mesure environ 7,5 mm de longueur, 2,5 mm de largeur et 1 mm de hauteur et n'a que la taille d'un petit ongle.
Le système fonctionne de la même manière qu'une guitare, explique Yiwen Chu, responsable du projet et physicien quantique à l'ETH Zurich. Les cordes de guitare vibrent pour produire des notes de musique, et les nouvelles puces quantiques utilisent des vibrations mécaniques microscopiques bien au-delà de la portée de l'audition humaine pour préserver et traiter les informations quantiques. Cependant, ces vibrations ne sont pas des sons, mais un porteur d’état quantique.
Les ordinateurs quantiques supraconducteurs actuellement courants adoptent généralement une conception hautement intégrée, avec des qubits responsables à la fois des tâches informatiques et du stockage des informations. Bien que cette méthode ait une structure simple, la durée pendant laquelle les qubits stockent les informations est relativement courte et les données sont facilement perdues lors de l'exécution d'opérations complexes et à long terme. Afin de résoudre ce problème, les systèmes existants connectent généralement des résonateurs électromagnétiques supplémentaires pour servir de mémoire. Ces résonateurs sont capables de préserver temporairement les états quantiques, permettant aux qubits de les relire en cas de besoin. Cependant, ces structures reposent souvent sur des cavités résonantes micro-ondes, et les longueurs d'onde des micro-ondes sont souvent de l'ordre du centimètre, de sorte que les tailles des composants associés sont également grandes.
Pour les ordinateurs quantiques, qui doivent fonctionner à des températures proches du zéro absolu, l’espace est une ressource extrêmement précieuse. L'ensemble du système doit être placé dans un grand dispositif de refroidissement cryogénique, et le module de mémoire électromagnétique encombrant limitera considérablement les capacités d'extension du système. L’équipe de l’ETH Zurich a choisi une approche complètement différente.
Ils stockent les informations quantiques non pas dans des ondes électromagnétiques sous forme de photons, mais dans des vibrations mécaniques appelées « phonons ». Étant donné que la vitesse de propagation des ondes sonores dans les solides est bien inférieure à la vitesse de la lumière, leurs longueurs d'onde correspondantes sont également considérablement raccourcies. Cela signifie que davantage d'unités de stockage d'informations peuvent être hébergées dans le même espace. L'équipe de recherche a déclaré que cette nouvelle architecture distingue clairement pour la première fois les responsabilités du processeur quantique et de la mémoire de travail quantique, de la même manière que la relation entre le processeur et la RAM dans les ordinateurs numériques modernes. Les qubits supraconducteurs sont responsables du calcul et du contrôle, tandis que les résonateurs mécaniques servent de mémoire de travail et sauvegardent les données temporaires pendant les opérations.
Les chercheurs pensent que cette conception améliore non seulement la densité de stockage, mais améliore également l'efficacité de l'organisation du système. Le traitement quantique et le stockage quantique étant répartis, chaque composant peut se concentrer sur les tâches pour lesquelles il est le meilleur, améliorant ainsi les performances globales.
Au cours de l'expérience, l'équipe a utilisé avec succès cette architecture pour réaliser des opérations de logique quantique de base et des tâches d'informatique quantique plus complexes, et a vérifié la faisabilité de cette conception dans des systèmes réels. Les chercheurs pensent que cela marque une étape importante vers des systèmes véritablement programmables dans l’architecture informatique quantique.
Chu Yiwen a déclaré qu'une collaboration efficace entre les processeurs quantiques et les mémoires quantiques constitue une base importante pour que les futurs ordinateurs quantiques soient capables de résoudre des problèmes que les ordinateurs traditionnels ne peuvent pas résoudre. Elle estime que ce n’est qu’en établissant une architecture avec une division claire du travail similaire à celle des ordinateurs modernes que les ordinateurs quantiques pourront parvenir à un développement à plus grande échelle.
Actuellement, cette réalisation en est encore au stade de la recherche expérimentale et est encore loin des ordinateurs quantiques commerciaux. Cependant, les professionnels du secteur estiment qu’à mesure que l’échelle du matériel quantique continue de croître, la manière de stocker et de rappeler efficacement les informations quantiques deviendra un facteur important pour déterminer les futures capacités de l’informatique quantique. Cette nouvelle idée consistant à utiliser les vibrations mécaniques pour construire une mémoire quantique pourrait constituer une voie technique clé pour la prochaine génération de plates-formes informatiques quantiques.
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