Ordinateurs quantiques

20240130_on avance

(Ceci est le résumé de ce que j'ai appris jusqu'à présent)

C'est difficile de comprendre comment fonctionne la physique quantique (PQ). D'ailleurs, quelqu'un  a écrit "Si quelqu'un n'est pas choqué par la physique quantique, c'est qu'il ne la comprend pas".

Cela tient au fait que la PQ est contre-intuitive. Ce n'est pas pour rien que même Einstein n'y croyait pas au départ. Cela tient aussi au fait que peu de chercheurs savent vulgariser ce qu'ils font, et probablement même qu'ils ne veulent pas être trop clairs afin de garder l'avance qu'ils ont.

Rappelons l'ancien directeur de la Fed américaine (contrôleur de la bourse), Alan Greespan, qui disait à la fin de ses exposés "Si vous m'avez compris, c'est que je me suis mal exprimé", sous-entendant qu'il ne voulait pas qu'on le comprenne.

Mais on comprend mieux ce sujet en étant conscients que:

1. Personne ne comprend encore pourquoi la PQ n'obéit pas aux règles de la physique classique. L'intrication, par exemple, reste encore incomprise. On ne sait pas comment cela fonctionne. Par contre on peut en utiliser  ses effets.
    

2. On utilise la PQ car ses effets sont scientifiquement valides.  On peut les calculer, les prédire et en refaire les expériences, ça fonctionne. On peut donc dire qu'on utilise la physique quantique sans en comprendre les bases.
    

3. Il existe peu d'explications sur les ordinateurs quantiques. Probablement parce que ce sujet est sensible, ceux qui y travaillent ne veulent pas  divulguer le résultat de leurs recherches afin de ne pas perdre leur avance.

Une vidéo (Entreprise Alice & Bob) qui permet de récolter quelques notions:

https://www.youtube.com/watch?v=a1JoQssKoPg

On y comprend qu'un ordinateur quantique (OQ) est constitué de portes comme dans tout ordinateur classique, sauf que:

• Ces portes fonctionnent non pas avec des bits (2 états) mais avec des qubits (infiniment d'états)
   

• Les effets quantiques n'apparaissent qu'à très basse température, proche du zéro absolu. L'OQ doit donc être protégé de la température ambiante.
   

• La durée de vie des qubits est très courte, typiquement 1 ms. Leur état peut être modifié par les champs électro-magnétiques ambiants. Un OQ doit donc être monté dans une cage de Faraday (blindage contre les interférences électro-magnétiques).
   

• Le câblage entre les modules se fait au moyen de câbles coaxiaux semi-rigides et de fiches SMA tels que ceux que nous utilisons en hyper fréquence. On le voit sur l'image ci-dessous.
   

• Un OQ travaille avec des fréquences proches de 10 GHz
   

• Vu que les qubits peuvent prendre tous les états entre 0 et 1, les calculs se font en parallèle (ce qui explique leur vitesse). On peut imaginer la chose avec un ruisseau qui entre, qui se divise en un très grand nombres de filets d'eau (OQ de 100 qbits = 2¹⁰⁰ filets) formant un fleuve (calcul parallèle), et qui en ressort, calcul fait, sous forme de ruisseau.
   

• Un OQ ne peut travailler que sur certaines applications bien spécifiques. Par exemple calculer les facteurs premiers d'un nombre (cryptographie), simuler des phénomènes complexes, etc.

Voir un ordinateur quantique (Entreprise Alice & Bob):
https://www.youtube.com/watch?v=elku74rj1lQ
 

Le calcul et l'ordinateur quantique (CEA):
https://www.cea.fr/comprendre/Pages/nouvelles-technologies/essentiel-sur-ordinateur-quantique.aspx

On avance à nouveau grâce à cette vidéo:

https://www.youtube.com/watch?v=fIEH4-P2nyQ

On y voit un  spécialiste, Andréa Morello (Université de Sydney, Australie, UNSW),  qui explique comment fonctionne son ordinateur quantique à un visiteur. Il est un des premiers à avoir créé un diplôme d'inginiérie quantique au monde. C'est très intéressant parce que c'est la première fois que je vois quelqu'un faire ce genre de démo. En guise d'introduction, il montre son tableau noir et déclare que si vous comprenez ce qui y est écrit, il vous engage sur le champ... La spécialité manque de bras (ou plutôt de têtes) !

Fig 1: l'ordinateur quantique

Quelques informations glanées durant l'exposé:

• Actuellement, l'ordinateur quantique n'est encore qu'à un stade expérimental. On teste sa technologie et on essaye de l'améliorer, le principal écueil étant de devoir refroidir la puce à 0,01 degrés au-dessus du zéro absolu. Donc pas encore d'application réelle mais de la recherche.
   

• Le gaz utilisé comme réfrigérant est de l'hélium car c'est la seule matière qui ne se solidifie jamais, même à 0 degré Kelvin. D'autres types d'OQ utilisent de l'hélium liquide, qui a l'avantage de ne pas être sensible aux vibrations, contrairement au gaz.
   

• L'OQ présenté, très petit en taille, travaille avec 3 qubits, constitué d'un atome d'antimoine (51 neutrons) et de l'électron qui tourne autour de son noyau. Son noyau possède 8 états quantiques, 2 à la puissance 3 ce qui donne 4 qubits en y incluant l'électron. Un autre OQ, plus ancien, utilisait un atome de phosphore (15 neutrons), 2 qubits seulement.
   

• La puce est faite en silicium isotopiquement dopé (3 isotopes différents) afin d'être neutre du point de vue du spin. Avec ce silicium-là, l'effet quantique peut durer quelques microsecondes alors qu'avec du silicium traditionnel, ce serait 1 nano seconde, donc pas assez longtemps pour pouvoir faire des calculs.
   

Fig 2: Le coeur de l'OQ: la puce. Tout le reste c'est le réfrigérateur (Fig 1)

• Maintenir la puce à une température si basse est un cauchemar. Le haut du réfrigérateur est à -269 degrés et le bas, où se trouve la puce, à -272, 999, isolée du reste dans un caisson à part. Des varistances mesurent la température à chaque étage mais elles ne doivent pas chauffer. Les câbles aussi ne doivent pas transmettre la chaleur extérieure. Le labo a développé des câbles enrobés de graphite pour lutter contre ce phénomène. Actuellement il faut environ 20 minutes pour que la température descende à son point de travail.
   

• Un autre problème ce sont les vibrations, qui induisent du bruit dans les câbles semi-rigides parce que ceux-ci se contractent avec le froid et l'âme en cuivre ballotte, ce qui génère du bruit électro-magnétique à une impédance de 100kOhms. Tout le réfrigérateur est donc monté sur silent blocks et lesté avec des poids en béton de 250kg.
   

• Les expériences se font à l'aide de scripts en Python. Une puce peut être testée durant plusieurs années sans être remplacée par une autre. On utilise le même "réfrigérateur" pour cela, la puce est la seule partie qu'on  change. Les puces ne subissent qu'un cycle thermique car elle n'ont qu'une seule charge puisque le but est de tester un seul électron et son spin. A éclaircir. Si la position de l'électron varie ne serait-ce que de 50 nanomètres, son comportement peut varier. 
   

• On veut donc mesurer le spin d'un électron et pour cela on utilise un transistor MOSFET modifié en guise de capteur. L'ordre de grandeur du courant maximum qui le traverse est de 0,5 nano Ampère. Le transistor contient une barrière à effet tunnel qui permet de ne laisser passer qu'un seul électron à la fois. Pour statistiquement détecter un seul électron (un qubit),  l'amplificateur qui suit le capteur doit amplifier le flux à 6,24 Millions d'électrons par seconde.
   

• En jouant sur la polarisation du transistor, on fait varier la barrière jusqu'à ce qu'un seul électron puisse traverser. Il se retrouve alors sur le drain du transistor. C'est l'électron d'antimoine sur lequel nous avons implanté la puce de silicium. C'est le script qui sweep la tension de polarisation et qui permet à un électron de passer lorsque la barrière tunnel est au bon niveau.
   

•  Le codage des qubits se fait par résonance magnétique.
   

• En fait, le qubit est le spin de l'électron, sa rotation. On le détecte en plaçant la puce dans un champ magnétique de 1 Tesla, ce qui est énorme. Par comparaison, le champ magnétique terrestre est de 50 micro Teslas, 50 millionièmes de Tesla. Ce champ est généré par un aimant à supraconducteur à niobium titane (inductance 10 Henrys, courant 100 Ampères).
   

• Vu qu'il est supraconducteur, une fois le courant désiré atteint, on peut lui couper l'alimentation, le courant continue ad perpetum à tourner dans le solénoïde (avec tout de même une perte de 40 part/milliard par heure, seulement mesurable avec un capteur quantique hyper sensible).  Par contre, l'aimantation se coupe si on arrête de refroidir l'aimant car il perd son effet supraconducteur. C'est alors catastrophique car le fil du solénoïde se transforme en résistance qui doit dissiper toute la puissance qui lui a été injectée pour obtenir le champ magnétique de 1 Tesla. L'hélium refroidisseur part alors en ébullition, la cata !
   

• Pour éviter cette catastrophe, un court fil supraconducteur chauffé par une résistance court-circuite le solénoïde. Lorsqu'il est chaud , il a une résistance de quelques Ohms, ce qui n'a aucune influence sur le solénoïde, quelques Ohms contre 0 Ohm. Il suffit alors de couper le courant dans la résistance et le court-circuit passe de quelques Ohms à zéro Ohm par effet supraconducteur, ce qui stoppe la circulation du courant dans le solénoïde
   

• Toute l'installation est mise à la masse afin d'éliminer tout bruit indésirable, des bandes de cuivres reliées à un dispositif conducteur enterré. cette masse est évidemment séparée des autres masses du bâtiment. L'EMI (Electro Magnetic Interference) est un grand problème car les oscillateurs fonctionnent à 40 GHz.
   

• L'effet de 1 tesla sur un électron libre génère un spin de 28 GHz. 40 GHz correspond à un champ de 1,4 Tesla selon la constante de Boltzmann. Par contre, le processeur de l'OQ fonctionne à 1MHz environ.
   

• La mesure du spin du noyau se fait en sweepant le champ magnétique autour de 40GHz. Lorsque la fréquence du spin est égale à la fréquence du balayage, un courant passe en sortie du transistor ce qui donne la valeur du spin du noyau. L'antimoine a 8 niveaux possibles de spin, 2 à la puissance 3. Un atome d'antimoine correspond donc à 3 qubits. La mesure du spin d'un noyau  consiste donc à mesurer sa fréquence de résonance parmi les 8 possibles (pour l'antimoine). Lorsque la fréquence du balayage de l'aimant est égale à la fréquence de résonance du noyau d'antimoine, on lit alors la valeur de son orientation, de son spin. Une fois la mesure faite, le spin disparaît par effet quantique. Il ne peut pas être copié.
   

• Une ordinateur de ce type-ci ne sert qu'à la recherche et à l'enseignement mais ne peut en aucun cas avoir une application pratique. L'application la plus prometteuse d'un ordinateur quantique est de simuler le fonctionnement d'une molécule. Par exemple afin de trouver un remède contre une forme spécifique de cancer. Un ordinateur classique n'est pas suffisamment puissant pour le faire, le calcul prendrait des siècles. . Le plus puissant des plus puissants des ordinateurs classiques ne peut actuellement simuler le fonctionnement d'une molécule de caféine, une molécule assez simple, mais rien de plus. Il faudra un ordinateur quantique ayant entre 100 et 1000 très bons qubits pour y arriver. "très bons qubits" signifie des qubits suffisamment stables pour pouvoir y opérer des milliers, voire des millions d'opérations sans erreurs.
   

• Pour pallier au manque de stabilité des qubits, on en utilise plusieurs en parallèle pour en corriger les erreurs. Il en faut 3 au minimum pour cela, raison pour laquelle l'antimoine est intéressant, il a 3 qubits. Un ordinateur quantique devra être couplé avec un ordinateur classique très rapide afin de détecter les erreurs et les faire corriger en temps réel.
   

• Le codage d'un qubit consiste à le soumettre à un flux magnétique de haute fréquence de 7 fréquences successives (8 niveaux = 7 espaces) en phase les unes avec les autres à une cadence de 1 ms. Il faut donc un générateur capable de le faire à 40GHz ce qui n'est pas simple à fabriquer. Grâce à l'utilisation de FPGA, on peut y arriver.  

Quelques définitions

1. Superposition Contrairement aux bits classiques qui ne peuvent être soit 0, soit 1, les qubits peuvent être dans un état de superposition, représentant à la fois 0 et 1 en même temps.
   
   Un système quantique peut être dans plusieurs états à la fois. Il faut en réalité comprendre que le système est dans un état quantique unique, mais que les mesures peuvent donner plusieurs résultats différents, chaque résultat étant associé à sa probabilité d'apparaître lors de la mesure.
   
   Parallélisme quantique En exploitant la superposition, les ordinateurs quantiques peuvent effectuer plusieurs calculs en parallèle, offrant un potentiel d'accélération significatif pour certaines tâches spécifiques, telles que la factorisation d'entiers et la recherche dans des bases de données non structurées.
   
   Mesure quantique Lorsqu'un qubit est mesuré, il "choisit" un état spécifique, soit 0, soit 1, avec une probabilité déterminée par les amplitudes de probabilité résultant de la superposition. La mesure quantique convertit l'information quantique en une information classique.
    
2. Intrication Les qubits peuvent être intriqués, ce qui signifie que l'état d'un qubit est lié à l'état d'un autre, même s'ils sont physiquement séparés. Les changements d'état d'un qubit intriqué peuvent instantanément affecter l'état de l'autre, ce qui permet une coordination et une corrélation quantique.
   
   Lorsque des qubits sont intriqués, la mesure de l'état d'un qubit peut instantanément déterminer l'état de l'autre, même s'ils sont éloignés. Cela permet des opérations simultanées sur des qubits distants, améliorant l'efficacité des calculs quantiques.
    
3. Porte quantique Les opérations sur les qubits sont effectuées à l'aide de portes quantiques. Ces portes modifient l'état des qubits, réalisant ainsi des opérations quantiques. Des portes quantiques telles que la porte de Hadamard sont couramment utilisées pour créer des superpositions.
    
4. Dans le débat philosophique concernant l'interprétation de la mécanique quantique, certaines approches telles que l'interprétation de Copenhague considèrent que l'état quantique n'est pas un élément de réalité au sens qu'Einstein donnait à ce terme, mais simplement un intermédiaire de calcul utile pour prévoir les mesures;  d'autres approches font appel à la notion de décohérence quantique pour décrire le processus mis en œuvre lors d'une mesure quantique.
   
   Les tenants de l'interprétation de Copenhague estiment que le cadre conceptuel hérité de la physique classique n'est pas adapté pour décrire l'infiniment petit. En particulier, il suppose que dans tout acte de mesure, l'objet mesuré et l'appareil de mesure sont totalement séparés. Or, ce n'est plus le cas lorsque l'échelle atomique est considérée. Non localité et aspect actif de l'appareil de mesure.
    
5. ATOME
   La couche de valence est la couche électronique la plus externe d'un atome; le nombre d'électrons qui l'occupent détermine les propriétés chimiques de l'atome. Les éléments chimiques dont la couche de valence n'est occupée que par un électron - l'hydrogène et les métaux alcalins - sont les plus réactifs, tandis que ceux dont la couche de valence est saturée d'électrons - les gaz nobles - tendent à être chimiquement inertes.
   
   Les couches électroniques sont identifiées par leur nombre quantique n, valant 1, 2, 3, etc. ou, historiquement, par les lettres K, L, M, etc. utilisées en spectroscopie des rayons X. Elles correspondent à une énergie croissante, qui se traduit par un éloignement croissant au noyau atomique.
   
   Le nombre de couches électroniques ne peut dépasser 7 pour les atomes à l'état fondamental mais il peut prendre des valeurs bien plus élevées dans le cas d'atomes excités, comme c'est notamment le cas pour les atomes de Rydberg.
    
6. On appelle excitation tout phénomène qui sort un système de son état de repos pour l'amener à un état d'énergie supérieure. Un électron excité est un électron qui possède une énergie potentielle supérieure au strict nécessaire.
   
   Lorsqu'un électron gagne de l'énergie, par exemple en absorbant l'énergie d'un photon, il peut sauter de son orbite à une orbite possédant une énergie potentielle supérieure. Un électron dans cet état est appelé électron excité. Cet état d'excitation n'est pas un état stable pour un électron et ne peut donc pas durer longtemps: puisqu'une orbite inférieure est disponible, l'électron va - à un moment donné - retourner de lui-même à l'orbite ayant une plus petite énergie potentielle. Il va alors rendre à l'environnement l'énergie qu'il avait gagnée, sous forme d'un photon.

   Généralement, le passage à une orbite d'énergie inférieure se fait à une vitesse éclair. Mais parfois, ce passage est - suivant la mécanique quantique - interdit. Dans ce cas, le retour de l'électron à l'orbite inférieure peut durer très longtemps, même plusieurs minutes dans certains cas. Cet effet est appelé phosphorescence et est, entre autres, utilisé pour fabriquer des jouets luisant dans le noir (qui émettent de la lumière dans l'obscurité pendant un certain temps).

   Les différences d'énergie entre les orbites les plus éloignées du noyau de l'atome sont de l'ordre de quelques électron-volts (eV). Les photons qui y correspondent peuvent avoir une longueur d'onde de lumière visible. Cet effet est utilisé par exemple dans les lampes LED et les lasers.

   Les différences d'énergie entre les orbites les plus proches du noyau dans les atomes plus lourds (p. e. des métaux comme le fer, le cuivre et le molybdène) sont des milliers de fois plus importantes (parfois jusqu'à des dizaines de milliers d'électron-volts). Les photons qui y correspondent ont une longueur d'onde du domaine des rayons X.
    

7. La résonance magnétique nucléaire (RMN) est une propriété de certains noyaux atomiques possédant un spin nucléaire (par exemple ¹H, ¹³C, ¹⁷O, ¹⁹F, ³¹P, ¹²⁹Xe…), placés dans un champ magnétique. Lorsqu'ils sont soumis à un rayonnement électromagnétique (radiofréquence), le plus souvent appliqué sous forme d'impulsions, les noyaux atomiques peuvent absorber l'énergie du rayonnement puis la relâcher lors de la relaxation. L'énergie mise en jeu lors de ce phénomène de résonance correspond à une fréquence très précise, dépendant du champ magnétique et d'autres facteurs moléculaires. Ce phénomène permet donc l'observation des propriétés quantiques magnétiques des noyaux dans les phases gaz, liquide ou solide. Seuls les atomes dont les noyaux possèdent un moment magnétique donnent lieu au phénomène de résonance.
    
8. Le noyau atomique est la région située au centre d'un atome, constituée de protons et de neutrons (les nucléons). La taille du noyau (de l'ordre du femtomètre, soit 10⁻¹⁵ m) est environ 100 000 fois plus petite que celle de l'atome (10⁻¹⁰ m)^a et concentre quasiment toute sa masse. Les forces nucléaires qui s'exercent entre les nucléons sont à peu près un million de fois plus grandes que les forces entre des atomes ou des molécules.

   De nombreux noyaux, dits radioactifs, sont instables et se transforment spontanément en d'autres noyaux en émettant un électron, un positon ou un hélion, en capturant un électron ou en se divisant en plusieurs noyaux, voire — pour certains noyaux particulièrement excédentaires en protons ou bien en neutrons — en émettant un ou plusieurs neutrons ou protons.

   Les noyaux peuvent aussi être sujets à une transmutation provoquée par l'impact d'un autre noyau, d'une particule ou d'un rayonnement électromagnétique.

    

A suivre...