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    Physique - L'ordinateur quantique bientôt à notre portée

    28 septembre 2011 |Pauline Gravel | Science et technologie
    L'ordinateur quantique n'est plus un fantasme de scientifiques. Il pourrait voir le jour sous peu grâce aux travaux d'une équipe nippo-québécoise qui a réussi à mettre au point la pièce maîtresse de cet ordinateur du futur à partir d'un matériau semi-conducteur couramment utilisé dans l'industrie.

    Les physiciens travaillent depuis une bonne décennie à la création de l'ordinateur quantique, qui «utilise activement les postulats de la mécanique quantique» [cette branche de la physique qui décrit les phénomènes à l'échelle atomique et subatomique].

    «L'ordinateur quantique permettra de développer des algorithmes ultraperformants, capables de factoriser des grands nombres (d'une dizaine de chiffres), par exemple, ce qui ne peut être accompli par des ordinateurs actuels, à moins de les laisser calculer aussi longtemps que l'âge de l'Univers», lance Michel Pioro-Ladrière du Département de physique de l'Université de Sherbrooke, tout en précisant que le cryptage des données lors de nos transactions bancaires sur Internet s'effectue grâce à un algorithme fondé sur la factorisation des grands nombres.

    Un ordinateur quantique permettrait donc de «communiquer sur Internet de façon complètement sûre». Un ordinateur quantique permettrait aussi de simuler le comportement quantique des molécules d’un médicament dans l’organisme, «ce qui prend un temps fou avec les superordinateurs actuels», donne en exemple le spécialiste, qui monte actuellement un laboratoire expérimental d’informatique quantique.

    «Tous les ordinateurs contemporains utilisent la charge de l'électron pour le transport du courant. Pour notre part, nous utilisons le spin de l'électron. En tournant sur lui-même, l'électron génère, en raison de sa charge, un petit aimant qui pointera vers le haut ou vers le bas. Le fait qu'il ne pointe que dans deux directions opposées nous permet de l'utiliser comme bit d'information (des bits quantiques, ou qubits, en l'occurrence), qui dans les ordinateurs classiques se compose de 0 ou de 1», fait remarquer le physicien, qui monte actuellement un laboratoire expérimental d'informatique quantique.

    Lors de son stage postdoctoral au Japon, ce dernier a fabriqué à l'aide de semi-conducteurs standards un dispositif constitué de deux boîtes juxtaposées renfermant chacune un spin, «qu'on arrive à manipuler et à coupler de façon très précise et contrôlée», souligne-t-il, tout en précisant qu'il parvient à manipuler chacun des spins à l'aide de microaimants qu'il dépose à la surface du dispositif. Et c'est en changeant le voltage appliqué sur le dispositif qu'il arrive à modifier le degré de couplage entre les spins des deux boîtes, «une opération cruciale en mécanique quantique».

    Cette double boîte, composée en fait de deux boîtes juxtaposées renfermant chacune un spin d'électron, est «la forme minimale requise pour faire la "preuve de concept" d'un ordinateur quantique qui contiendra une multitude de boîtes. Nous avons ainsi réussi à montrer que l'on pourra en juxtaposer plusieurs», résume M. Pioro-Ladrière, dont les résultats sont publiés dans la dernière édition du Physical Review Letters.

    Beaucoup de travail

    Il reste néanmoins beaucoup de travail à faire, avoue le chercheur. Pour qu'un système soit quantique, il faut que les qubits se trouvent dans un état quantique, où le qubit n'est ni dans l'état 0, ni dans l'état 1, mais dans les deux états à la fois, qu'on appelle «superposition d'états quantiques». «Pour obtenir un ordinateur quantique, il faut effectuer tous les calculs avant que ne soit perdue cette superposition d'états, dénommée cohérence, que les qubits perdent lorsqu'ils interagissent avec leur environnement. Au fur et à mesure que le temps s'écoule, les qubits deviennent des bits classiques, et on perd tout le pouvoir quantique», explique le physicien, qui attaque le problème sur deux fronts.

    Le temps qui est nécessaire pour manipuler le spin d'un électron, le renverser par exemple, est actuellement trop long par rapport au temps de cohérence. «Pour accroître la vitesse d'opération, il nous faudra jouer sur le design des microaimants. Nous croyons qu'en modifiant leur géométrie et leur emplacement, nous pourrons passer de 100 nanosecondes à une nanoseconde», précise-t-il.

    La deuxième approche consistera à augmenter le temps de cohérence. Le chercheur croit y parvenir en ayant recours à des matériaux purifiés, qui permettraient de «s'affranchir des spins parasites des noyaux des milliers d'atomes que contient la boîte quantique et qui en tournant sur eux-mêmes viennent brouiller les cartes et créer la décohérence».

    «Mais si on réussit à dépasser un seuil critique dans le temps de cohérence, l'ordinateur pourra, une fois la cohérence perdue, corriger la décohérence grâce à un algorithme, et ainsi faire perdurer le calcul quantique ad vitam aeternam. Nous n'aurons pas besoin de temps de cohérence infini, il y aurait simplement un seuil critique à atteindre, soit le temps qu'il faut pour effectuer une opération de base», ajoute le chercheur.

    «Si nos recherches aboutissent, nous aurons l'industrie de la microélectronique derrière nous pour entamer la fabrication d'ordinateurs quantiques à grande échelle», conclut avec enthousiasme le chercheur.












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