L’ordinateur quantique Helios atteint une précision sans précédent et accélère l’évolution technologique
Des chercheurs de Broomfield, dans le Colorado, travaillent avec 98 atomes suspendus dans un laboratoire, maintenus en place par des champs électriques et refroidis à des températures proches du zéro absolu. Ces minuscules éléments transportent l’information d’une manière unique, différente de la physique traditionnelle.
De l’union de ces atomes est né Helios, un ordinateur quantique innovant développé par la société anglo-américaine Quantinuum. Les machines quantiques utilisent les principes de la mécanique quantique, qui décrivent le comportement de la matière aux niveaux atomique et subatomique. Helios, avec son modèle d’atomes en suspension, est classé comme un ordinateur à ions piégés.
Une étude publiée dans la revue Nature présente Helios comme un processeur de 98 qubits offrant une précision et des performances exceptionnelles, dépassant les capacités de simulation des ordinateurs conventionnels. Bien que le nombre de qubits soit remarquable (le modèle précédent, System Model H2, en comptait 56), le point crucial est son efficacité.
Les ordinateurs quantiques ne représentent pas seulement une évolution plus rapide des machines traditionnelles. Les qubits, leurs bits quantiques, peuvent prendre plusieurs états simultanément, contrairement aux zéros et aux uns numériques. Cette fonctionnalité permet de structurer des calculs qui, dans le futur, pourraient dépasser la puissance des supercalculateurs les plus robustes. Les applications potentielles incluent le développement de nouveaux matériaux, l’optimisation des processus, les simulations chimiques avancées et de nouvelles solutions de cryptographie.
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Le principal défi réside toutefois dans la grande fragilité des qubits. Ils sont sensibles aux fluctuations de température, aux contrôles imprécis, aux interactions environnementales indésirables et, dans certains cas, même au déplacement de données au sein du système. Ainsi, les progrès de l’informatique quantique ne se mesurent pas seulement par la quantité de qubits, mais aussi par leur qualité et la capacité à les contrôler avec la précision nécessaire à des opérations complexes et pertinentes.
L’importance des progrès d’Helios pour l’informatique quantique
C’est pourquoi les résultats de l’expérience Hélios sont cruciaux. L’informatique quantique promet des transformations depuis des décennies, mais la plupart des annonces se concentrent encore sur le nombre de qubits. Cela revient à juger une course par le nombre de participants au départ, sans tenir compte du nombre d’entre eux qui arrivent à l’arrivée et dans quel état. Helios aborde cette dualité avec sérieux, en proposant 98 qubits, ce qui est non seulement beaucoup, mais maintient également des taux d’erreur exceptionnellement faibles pour cette échelle.
L’apparition d’erreurs est plus fréquente dans les ordinateurs quantiques que dans les ordinateurs conventionnels, ce qui fait de la correction des erreurs l’un des plus grands défis dans ce domaine.
Selon l’article de Nature, Helios enregistre un taux d’erreur moyen d’environ 2,5 sur 100 000 pour les portes à qubit unique, qui sont les unités de base d’un circuit quantique. Pour les portes à deux qubits, plus sophistiquées et indispensables aux calculs pratiques, la moyenne se situe autour de 7,9 sur 10 000, un niveau comparable aux meilleures performances démontrées, qui atteignent 5 sur 10 000.
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Les opérations quantiques s’accumulent et une infime erreur en une seule étape peut avoir un impact limité. Cependant, les algorithmes quantiques complexes peuvent impliquer des milliers, des millions, voire davantage d’opérations. Par conséquent, des taux d’erreur réduits sont cruciaux, car ils permettent d’effectuer des calculs plus élaborés avant que la cohérence des informations quantiques ne soit perdue.
Un autre différenciateur important d’Helios est sa connectivité complète. Dans plusieurs ordinateurs quantiques, les qubits ne peuvent interagir qu’avec leurs proches, comme par exemple avec des conversations réservées aux voisins. Si des qubits distants doivent communiquer, l’information doit passer par une série d’étapes intermédiaires, chacune augmentant le temps et le risque d’erreurs. Dans Helios, cependant, n’importe quel qubit peut interagir avec n’importe quel autre, ce qui est particulièrement utile pour les algorithmes dont les modèles d’interaction ne s’adaptent pas à une structure fixe.
L’architecture d’Hélios : un chemin de fer quantique miniature
La structure matérielle Helios est tout aussi fascinante. Les ordinateurs quantiques à ions piégés comme lui utilisent des atomes chargés comme qubits. Ces ions sont contenus par des champs électriques et contrôlés par des impulsions laser. Cette méthodologie est reconnue pour sa grande précision, même si l’étendre sans perdre cette précision constitue un défi technique. Helios utilise des ions baryum dans un dispositif à couplage de charge quantique, ou QCCD, qui peut être considéré comme un petit chemin de fer quantique.
Les ions sont stockés dans des secteurs de mémoire et physiquement déplacés vers des zones opérationnelles selon les besoins du programme pour effectuer des calculs avec des qubits spécifiques. In these zones, tightly controlled laser pulses perform the fundamental operations of quantum algorithms, so-called quantum gates. These gates modify the state of an ion or connect the states of two ions, enabling the computer to process data. In Helios, a ring storage space and junction help guide ions through the system.
Cette distinction claire entre les fonctions de stockage, de déplacement et de traitement représente plus qu’une prouesse technique. Cela indique que l’informatique quantique évolue pour devenir un système informatique intégral, dépassant la phase de simple ensemble de composants de laboratoire impressionnants.
Le système dispose également d’un logiciel qui gère les décisions de routage et de contrôle tout au long de l’exécution des programmes. En pratique, cela implique de déterminer quel ion physique agira comme chaque qubit, quels ions doivent être déplacés vers les zones opérationnelles et dans quel ordre les portes quantiques seront appliquées. Cette fonctionnalité est vitale pour les algorithmes quantiques complexes, en particulier ceux dont les étapes futures dépendent des mesures prises au cours du traitement.
L’étude indique qu’Helios est capable d’exécuter des circuits quantiques aléatoires, dont la simulation serait extrêmement complexe pour des ordinateurs classiques. Bien qu’il s’agisse d’une avancée significative, cela ne le qualifie pas d’ordinateur quantique à usage général. L’échantillonnage de circuits aléatoires sert à tester la capacité et la complexité de la machine, mais ne résout pas en soi les problèmes dans les domaines de la médecine, de la climatologie ou de l’ingénierie.
Quelle est alors l’ampleur réelle des progrès d’Hélios ? Il s’agit d’une évolution considérable car, même si elle ne constitue pas l’aboutissement d’une révolution quantique, elle intègre des aspects tels que l’évolutivité, la précision, la connectivité et la programmabilité dans une seule machine. Cette réussite renforce l’idée selon laquelle les technologies révolutionnaires émergent rarement de manière abrupte ; ils se construisent progressivement, atome par atome, jusqu’à ce que ce qui était considéré comme impossible devienne une réalité tangible.
