L’ordinateur quantique comptant des millions de qubits n’arrivera peut-être jamais. En cause, une gestion des erreurs et un refroidissement rendus extrêmement complexes par la taille du système. Mais d’après des travaux menés par l’institut de physique théorique du CEA Paris-Saclay, une machine d’une telle ampleur serait peut-être inutile. Dans une publication parue le 28 septembre dans Physical Review Letters, les chercheurs français ont démontré qu’un calculateur doté d’un processeur et d’une mémoire quantiques serait bien plus efficace qu’un processeur quantique seul – une option pourtant choisie par tous les constructeurs du moment, Google et IBM en tête.
De 20 millions à 13 000 qubits
« L’ordinateur quantique est généralement pensé comme un seul gros processeur réunissant toutes les fonctions : la manipulation de l'information et son stockage, rappelle Nicolas Sangouard, co-auteur de l’étude. L’architecture que nous avons imaginée est au final très proche des ordinateurs conventionnels, composés d’un tout petit processeur et de plusieurs mémoires où sont envoyées les informations lorsqu’elles ne sont pas manipulées. » Cette réorganisation du système permet ainsi de libérer les qubits jusque-là utilisés pour conserver, à un instant donné d’un calcul, une information inutilisée. Et donc de réduire la taille d’un processeur quantique… sans perdre en efficacité. Au contraire.
Google avait estimé qu’il faudrait 20 millions de qubits pour résoudre en quelques heures l’algorithme de Shore, utilisé pour factoriser des grands nombres et impossible à calculer avec un ordinateur conventionnel. Les chercheurs du CEA, eux, estiment qu’il en suffirait 200 000 avec leur nouvelle architecture. Et 13 000 avec une correction d’erreur adaptée.
Revers de la médaille, la réalisation de l’algorithme – qui pourrait servir à briser de nombreux algorithmes de chiffrement basés sur la factorisation – prendrait quelques mois, au lieu de plusieurs heures. Un non-problème, pour Nicolas Sangouard : « Même s’il lui faut six mois, l’algorithme de Shore reste une menace pour des informations dont on veut garantir la sécurité pour une durée bien supérieure », rappelle-t-il.
Surtout, ce temps de calcul est issu d’une expérience poussée à l’extrême. « Les 13 000 qubits utilisés correspondent à seulement deux qubits logiques, protégés contre les erreurs, affirme le chercheur. Cela interdit de réaliser deux opérations en parallèle et oblige à réaliser un grand nombre d’allers-retours ente la mémoire et le processeur. » Ainsi, si l’étude « montre à quel point on peut réduire la taille d’un processeur, il est tout à fait possible d’imaginer une architecture semblable avec un processeur de taille supérieure », argue-t-il.
Problème de température
Les travaux menés par le CEA se veulent une réponse à l'un des verrous majeurs au développement d’un calculateur quantique de grande échelle : le refroidissement, notamment au coeur de la feuille de route quantique d'IBM. « Avoir des millions de qubits est un très lourd problème d’ingénierie, car il faut les conserver à une température de quelques milli-Kelvins [moins de -273° Celsius], c’est un challenge incroyable », observe le scientifique.
Plus petit, le processeur quantique est moins difficile à maintenir à si basse température. Et la mémoire quantique, elle, fonctionne à quelques Kelvins – une température suffisamment élevée pour être atteinte avec un réfrigérateur commercial, branché sur secteur. Ainsi, les chercheurs se détournent d’un problème d’ingénierie, la réfrigération, pour s’attaquer à un problème plus familier, de physique, d’amélioration de la mémoire quantique et de son interaction avec le système.
Pour cela, les chercheurs de l’institut de physique théorique se sont rapprochés d’une équipe du CEA-Iramis, Quantronics, qui développe déjà une mémoire capable d’interagir avec des qubits. « C’est un élément indispensable des communications quantiques, donc les mémoires quantiques sont étudiées depuis une quinzaine d’années », rappelle Nicolas Sangouard.
Celle développée par l’équipe de Quantronics utilise des micro-ondes pour lire l’état d’un qubit supraconducteur, le transcrire dans un photon et le stocker en mémoire. Un système « qui reste à améliorer », selon le chercheur du CEA Paris-Saclay. Mais qui participe déjà à faire de l’ordinateur quantique de grande échelle un rêve un peu plus réaliste.
