Ordinateur quantique : Fujitsu présente un prototype basé sur un diamant
Associé à des chercheurs néerlandais, le constructeur japonais utilise la structure cristalline pour mettre ses qubits à l’abri des interférences extérieures. Le dispositif fonctionne sans cuve d’azote liquide et pourrait s’installer en un grand nombre d’exemplaires dans un datacenter.
Et une technologie de plus. Le japonais Fujitsu vient de dévoiler les détails d’un prototype d’ordinateur quantique basé sur un diamant. Ce matériau présente l’intérêt de pouvoir produire des effets quantiques sans nécessiter de cuve géante d’azote liquide. Par conséquent, le prototype de Fujitsu tient dans un simple boîtier rack d’à peine quelques U de haut, exactement comme les serveurs classiques.
Autre avantage, le diamant émettant des ondes parfaites, la lumière qui correspond au résultat peut être plus facilement véhiculée sur des fibres optiques pour s’interconnecter avec des ordinateurs classiques, voire d’autres ordinateurs quantiques.
Des exemplaires de ce prototype devraient être mis en service courant 2027. Fujitsu espère pouvoir en tirer un ordinateur quantique fonctionnel de 250 qubits qu’il pourrait commercialiser dès 2030.
« L'approche, utilisant les propriétés magnétiques d’atomes intégrés au diamant, que nous avons appliquée à ce prototype offre non seulement la possibilité de déployer un grand nombre de machines quantique dans un datacenter, ce qui est en soi exceptionnel, mais elle présente également le potentiel d'être intégrée aux habituels ordinateurs quantiques supraconducteurs [refroidis par cuve d’azote liquide, N.D.R.] pour étendre davantage leurs capacités », se réjouit Vivek Mahajan, le directeur technique des plateformes datacenter de Fujitsu dans un communiqué.
Le fait est que 250 qubits restent très insuffisants pour encoder les données que manipulent de nos jours les ordinateurs classiques. En revanche, pouvoir enchaîner des ordinateurs quantiques qui fonctionnent chacun sur une fraction de ces données est une étape intéressante avant de parvenir à faire travailler ensemble au moins des dizaines de milliers de qubits. Fujitsu espère pour sa part conjuguer 1000 qubits d’ici à 2035.
En quête de la meilleure implémentation
Rappelons que le but des recherches en informatique quantique est de construire un ordinateur capable de trouver directement la solution qui se combine le mieux à un problème. C’est-à-dire sans devoir évaluer une à une toutes les possibilités, ce que les ordinateurs classiques perdent trop de temps à faire. Pour y parvenir, la méthode consiste à mettre des particules dans un état quantique superposé (l’ensemble des possibilités), à les bombarder avec des photons qui encodent le problème et à lire ensuite les photons que les particules ont bien voulu renvoyer (la solution).
Mécaniquement, l’énergie du photon interfère avec l’énergie de la particule, ce qui soit amplifie l’énergie lue en sortie (valeur 1), soit la diminue (valeur 0). Informatiquement parlant, on place les particules en maillage pour que les énergies renvoyées par des particules interfèrent avec des énergies reçues par d’autres particules, ce qui permet la programmation d’algorithmes.
Et physiquement, cela donne un résultat qui n’est pas aléatoire. Car, bien que l’on ignore l’état d’énergie qu’une particule voudra bien prendre après avoir interagi avec un photon, il est possible de toutes les synchroniser au départ (intrication), de sorte qu’il y ait une cohérence entre toutes les amplifications et diminutions d’énergie qui ont lieu lors de l’exécution d’un algorithme.
Le problème de ces travaux est que les résultats sont faussés par le bruit environnant, soit de minuscules énergies de chaleur ou de lumière qui viennent d’on ne sait où et qui modifient les niveaux d’énergie que l’on s’efforce de manipuler. L’enjeu de ces recherches est donc de trouver le système qui soit le plus étanche au bruit. Et Fujitsu pense que les diamants sont une bonne piste.
La particularité du diamant est que ses atomes de carbone sont agencés en un réseau parfaitement régulier, très performant pour conserver des états quantiques. Et au sein de ce réseau, il est possible de créer des trous, c’est-à-dire l’absence d’atomes à certains endroits. En jargon, on parle de lacunes. L’idée est d’utiliser deux lacunes contigües pour placer au milieu d’elles un atome qui n’a rien à voir – le centre lacune -et qui sera le seul qubit physique alentour. Les autres atomes servent juste à véhiculer les photons vers ou depuis ce qubit.
Des travaux précédents avaient connu des résultats encourageants avec un atome d’azote. Fujitsu, en partenariat avec des chercheurs de l’université de technologies de Delft (Pays-Bas) et la startup QuTech qui en émane, est parvenu à mettre dans le centre lacune un atome d’étain qui renvoie un signal dix fois plus brillant que l’azote.
Des innovations de pointe pour fabriquer le diamant quantique
Parvenir à isoler un qubit dans un diamant est passé par la mise au point de dispositifs inédits qui relèvent tout autant de la prouesse.
Pour concevoir un maillage de diamants à une taille microscopique, Fujitsu a usé d’appareils magnétiques et de formules chimiques pour introduire des ions d’étain dans des substrats de diamants purs et relier ces derniers à des substrats de dioxyde de silicium pour les interconnecter. Le rôle des substrats en dioxyde de silicium est de véhiculer des micro-ondes qui configurent le système selon le problème à résoudre.
Fujitsu a même réussi à concevoir une technique de rétrécissement de l’ensemble pour passer d’une structure de plusieurs centaines de micromètres à une taille de quelques centaines de nanomètres, obligatoire pour prendre place dans des puces.
Il a aussi fallu mettre au point les circuits photoniques qui capturent la lumière émise par ces ions d’étain. Le résultat est des guides d’ondes en alumine codéveloppés par l’université de Tokyo.
In fine, chaque qubit « logique » prend la forme d’une microépingle en diamant enfermant des ions d’étain. Elle est déposée dans un tube qui capte les micro-ondes et émette une lumière à son extrémité.
