Les ordinateurs quantiques, c’est cool

Les ordinateurs quantiques sont géniaux ; ils exploitent les phénomènes subatomiques de superposition et d’enchevêtrement. La création de bits d’information, de 1 et de 0, à l’échelle quantique se traduit par un avantage exponentiel en termes de puissance de calcul. Cependant, les systèmes quantiques sont notoirement sensibles au bruit. De multiples sources de bruit peuvent réduire la précision d’un calcul, voire détruire entièrement l’information quantique.

Le bruit thermique est l’une des sources de bruit les plus difficiles à surmonter. Pour l’éviter, de nombreuses approches matérielles populaires sont refroidies à des températures ultra-froides. Par exemple, les ordinateurs quantiques supraconducteurs nécessitent des pompes à vide et des cryostats spécialisés. Ces équipements sont coûteux, dépendent de l’hélium et nécessitent beaucoup d’espace, d’eau et d’énergie.

Jusqu’à présent, l’infrastructure nécessaire pour refroidir les ordinateurs quantiques a constitué un obstacle à l’arrivée des ordinateurs quantiques sur nos bureaux. Cependant, de nouvelles approches de l’informatique quantique émergent, notamment des conceptions photoniques et des défauts de diamant. La possibilité pour ces technologies de fonctionner à température ambiante pourrait considérablement améliorer l’accessibilité à l’informatique quantique et, en fin de compte, permettre d’élargir le marché.

Les Qubits photoniques peuvent survivre à des températures élevées

L’informatique quantique sur plateforme photonique utilise la lumière pour former des qubits. Il peut s’agir de l’état de photons individuels (polarisation/contrainte) ou de l’état quantique de faisceaux de photons (qumodes). Les photons sont naturellement plus résistants au bruit thermique, et plusieurs entreprises produisent aujourd’hui des processeurs quantiques photoniques qui n’ont pas besoin d’être refroidis - par exemple, QuiX. Bien que le matériel photonique évolutif et polyvalent pour l’informatique quantique soit encore loin, certains dispositifs spécifiques à des applications ont déjà été réalisés. Il s’agit notamment de machines d’ORCA capables d’échantillonner des bosons dans le temps, ce qui convient à l’apprentissage automatique et à la modélisation générative.

Cependant, la photonique n’est pas une approche de l’informatique quantique sans défis. Dans certains cas, la détection des photons pour lire la solution d’un algorithme quantique dépend encore de capteurs surfondus. En d’autres termes, les qubits peuvent être à température ambiante, mais la technologie pour les détecter ne l’est pas. De même, les sources de lumière intriquée nécessaires pour les systèmes les plus avancés requièrent davantage de développement - par exemple, des points quantiques spécialisés ou des nanostructures semi-conductrices. En outre, si les photons sont moins affectés par les températures chaudes, ils sont toujours susceptibles de s’échapper des guides d’ondes.

Cela dit, les investissements dans l’informatique quantique photonique sont en hausse, dépassant les 500 millions de dollars en 2022. La plupart des exigences relatives à de meilleures sources de photons et à des architectures moins bruyantes sont satisfaites, et l’optimisme est grand quant à la possibilité d’un calcul quantique évolutif et polyvalent à l’aide de cette méthode. Ce secteur cherche à tirer parti de l’utilisation actuelle de la fibre optique pour les communications à haut débit et de l’intérêt croissant des gouvernements pour la photonique dans le domaine de la cryptographie et de la cybersécurité.

Les réseaux de diamants protègent naturellement les Qubits du bruit

Le diamant technique a été identifié historiquement pour ses applications dans le domaine de la détection quantique, mais ces dernières années, la recherche a évolué vers l’informatique quantique à température ambiante et même de bureau. Les diamants présentant un défaut spécifique peuvent former des systèmes quantiques à deux états et, par conséquent, des qubits. Par exemple, les centres de vide d’azote (NV) ont des états de spin qui peuvent être utilisés pour représenter des 1 et des 0. La fréquence de l’émission stimulée des centres NV dépend de cet état de spin et, à ce titre, des microscopes à fluorescence standard peuvent être utilisés pour lire les résultats des algorithmes. Comme ces qubits sont naturellement isolés des sources de bruit dans l’environnement par les réseaux d’atomes de carbone dans les diamants, ils sont de bons candidats pour l’informatique quantique à température ambiante.

En effet, plusieurs entreprises vendent déjà des ordinateurs quantiques à défauts de diamant de la taille d’un ordinateur de bureau. Des centres de supercalcul et des entreprises aérospatiales ont investi dans la technologie des défauts de diamant de sociétés telles que Quantum Brilliance et XeedQ. Toutefois, le nombre de qubits démontrés à l’aide du défaut de diamant reste inférieur à 10 %. Il est largement admis que des milliers, voire des millions de qubits sont nécessaires pour apporter la plus grande valeur commerciale et répondre aux besoins des techniques de correction d’erreurs. Certains développeurs prévoient de faire la démonstration de centaines de qubits à défauts de diamant dans les prochaines années, mais il reste encore beaucoup de recherche à faire, notamment en termes d’optimisation des processus de fabrication de diamants techniques.

Effet d’annonce et réalité

Bien que la création d’ordinateurs quantiques de bureau à température ambiante soit théoriquement possible, aujourd’hui, la plupart des développeurs de matériel d’informatique quantique se concentrent sur la fourniture de systèmes pour des applications industrielles, notamment dans les secteurs de l’aérospatiale, de la finance et de la chimie. Cela inclut de nombreux leaders dans le domaine de l’informatique quantique photonique et à défauts de diamant. Il est généralement admis que les problèmes de grande valeur que les ordinateurs quantiques résoudront en premier seront résolus grâce à des modèles d’accès en nuage.

Cependant, un avenir avec des solutions à température ambiante pour le marché de masse ne devrait pas être exclu, la technologie photonique a même été présentée au CES cette année. En dehors des secteurs pharmaceutique et aérospatial, de nombreux autres utilisateurs potentiels pourraient bénéficier d’une solution abordable et mobile, principalement pour l’IA de pointe, le traitement d’images et l’optimisation de la logistique en temps réel. Les fabricants de véhicules autonomes et les chaînes de supermarchés explorent déjà cet espace d’application quantique. Il existe même une demande pour des calculs plus performants dans l’environnement hostile de l’espace, par exemple pour traiter des images provenant d’instruments astronomiques montés sur des satellites.

Perspectives

Bien que l’informatique quantique puisse arriver sur les bureaux du marché de masse, les solutions matérielles classiques resteront dominantes pendant au moins les vingt prochaines années. Dans l’intervalle, les ordinateurs quantiques à température ambiante devraient plutôt jouer un rôle dans l’éducation de la société à l’informatique quantique. En fin de compte, cela facilitera la recherche et permettra l’adoption des dispositifs les plus puissants, avec un nombre élevé de qubits, sur le nuage. On ne sait pas encore quelles seront les technologies leaders du marché, la photonique et le diamant étant en concurrence avec les technologies supraconductrices, les ions piégés, les atomes neutres, la photonique et même les technologies basées sur le silicium. Toutefois, selon l’étude d’IDTechEx, le succès commercial à long terme est plus probable pour des solutions plus intrinsèquement évolutives - pour lesquelles les modalités adaptées aux ordinateurs de bureau pourraient avoir un avantage concurrentiel significatif. Le marché des ordinateurs quantiques devrait augmenter rapidement à mesure que la technologie progresse, avec plus de 3 000 systèmes susceptibles d’être installés d’ici à 2043.