Des ordinateurs quantiques perdus dans la course et leurs erreurs fatales

L'ingénierie affecte la vitesse plus rapidement que la physique

L'ordinateur quantique 16 bits d'IBM de 2017

En octobre 2019, Google a annoncé la réalisation de la supériorité quantique - ce grand nom a été donné à cette étape du développement des ordinateurs quantiques, où il peut être prouvé qu'ils sont capables de ce que les ordinateurs ordinaires ne sont pas capables de faire. La déclaration est toujours controversée , il peut donc s'avérer que nous avons besoin d'une meilleure démonstration.

Indépendamment de cette déclaration, il est intéressant de noter que Google et ses critiques d'IBM ont choisi la même base comme base pour créer leurs propres ordinateurs quantiques. Comme leur plus petit concurrent, Rigetti. Tout cela suggère que le paysage de l'informatique quantique s'est plus ou moins stabilisé au cours de la dernière décennie. Maintenant, nous sommes en mesure de choisir les gagnants probables et certains perdants.

Pourquoi es-tu un perdant?

Mais pourquoi les gagnants gagnent-ils et les perdants perdent-ils?

En fin de compte, cela revient à l'ingénierie. Pour créer un ordinateur quantique pratique, il est nécessaire de faire de nombreux bits quantiques (qubits). Ces qubits doivent rester dans un état quantique pour plusieurs opérations logiques. Pour effectuer ces opérations, nous devons être capables de manipuler les qubits individuellement et en groupe (au moins par paires). Et, bien sûr, vous devez pouvoir lire le résultat du calcul.

Beaucoup de ces possibilités ont été démontrées individuellement à l'aide de qubits placés dans un liquide, dans des atomes de Rydberg , dans des condensats de Bose-Einstein (CBE), dans des systèmes à l'état solide, des lacunes substituées par l'azote dans le diamant (centres NV), des défauts de silicium, des ions piégés, à la lumière, et naturellement dans les anneaux supraconducteurs. Cette liste est incomplète, mais la plupart des fonctionnalités répertoriées sont des impasses, et pour des raisons impérieuses. Bien que le comportement d'un qubit soit dicté par les lois de la physique au niveau des qubits individuels, dès que vous pensez à la mise à l'échelle, cela devient un problème très important pour concevoir un système, et il s'avère que beaucoup de ces options ne sont pas très évolutives.

L'accident est mauvais

Au début de cette décennie, les centres NV, les postes vacants en silicium et les matériaux à l'état solide étaient aux premiers rangs de la course. Tous ces matériaux fonctionnent selon des principes similaires: une petite quantité de matériau contaminant est introduite dans le cristal. L'azote est introduit dans le diamant, le phosphore est introduit dans le silicium et l'ytterbium est introduit dans les cristaux de grenat d'yttrium-aluminium.

Dans chaque matériau, les qubits sont formés selon des lois physiques similaires. Le matériau polluant ne satisfait pas aux conditions de liaison des atomes voisins, à la suite de quoi il reste un électron isolé ou un noyau (ion) chargé positivement. Les états de ces objets isolés peuvent être utilisés comme qubits, et ces états peuvent rester inchangés pendant très longtemps - souvent même plus longtemps que leurs rivaux les plus performants.

Cependant, ces technologies présentent des inconvénients fondamentaux. Un bon exemple de défauts peut être vu dans les centres diamantés NV. Chaque qubit se compose d'un électron dans un état "suspendu" en raison de l'incapacité de l'azote à se lier à quatre atomes de carbone. L'électron est accessible (pour la lecture et l'écriture) par la méthode optique. Par conséquent, le premier problème est de trouver plusieurs lacunes isolées dans le cristal, qui pourraient être traitées séparément. L'adressage optique implique que ces lacunes sont trop éloignées les unes des autres pour être couplées directement, de sorte que les opérations avec les qubits et leur enchevêtrement doivent être effectuées à travers des photons optiques et micro-ondes. Malheureusement, le rayonnement micro-ondes s'accouple avec tous les qubits, ce qui réduit la précision avec laquelle ils peuvent être contrôlés.

Pire encore, tous les postes vacants sont différents. Les propriétés quantiques d'une vacance sont déterminées par la position spécifique et le type d'atomes qui l'entourent. Par exemple, dans le diamant, deux isotopes de carbone courants fournissent une différence suffisamment grande pour que la présence de carbone 13 affecte le fonctionnement des qubits voisins. Pour rendre les qubits identiques, il est nécessaire d'appliquer des champs magnétiques locaux qui modifient les niveaux d'énergie des états qubit. Pour ce faire, des courants relativement élevés doivent être passés à travers les fils passant à proximité, tout en isolant simultanément ces effets afin qu'ils n'affectent pas les autres qubits.

En fait, tous les ordinateurs avec des puces de diamant seront différents, ils auront un arrangement différent de qubits avec des propriétés différentes. Le câblage pour s'assurer que les champs magnétiques locaux restent suffisamment locaux pour affecter les qubits individuels semble incroyablement complexe. Et puis vous devez mettre de minuscules matrices de lentilles (situées directement sur la surface du diamant) pour connecter tous les qubits avec le monde extérieur. Une petite partie déprimée de mon cerveau qui comprend l'ingénierie crie silencieusement à la simple pensée de cela.

Presque tous les systèmes de qubit basés sur les postes vacants ont des problèmes similaires, nous en entendons donc moins parler aujourd'hui.

Les systèmes à semi-conducteurs méritent d'être rappelés

Dans le cas des ions dans le cristal, comme l'ytterbium dans un cristal de grenat d'yttrium-aluminium, tout est un peu différent. Ici, l'état quantique n'est généralement pas stocké dans un seul ion ytterbium. Au lieu de cela, l'état est réparti sur la population ionique, ce qui rend le système incroyablement solide - ce sont certains des états quantiques les plus durables. Cependant, cela rend difficile la détermination de l'emplacement du qubit. Après tout, la position est déterminée par l'optique qui concentre la lumière utilisée pour enregistrer et lire les états quantiques.

En fait, l'état des qubits est déterminé par des impulsions lumineuses interagissant avec de nombreux ions dans le corps du cristal. Pour travailler avec un nombre suffisamment important de qubits, un système optique très complexe est nécessaire. Et cela même sans tenir compte de la nécessité de pouvoir enchevêtrer les qubits et effectuer des opérations logiques. Encore une fois, le circuit ne contribue pas à la création d'un ordinateur quantique à part entière. D'autre part, ces cristaux sont parfaitement adaptés au rôle des cellules de mémoire quantique et peuvent encore trouver une application dans ces cadres limités.

Neutralité = indifférence

S'éloignant encore plus des approches pratiques, nous rencontrons des options plus exotiques - les atomes de Rydberg (RA) et CBE.

Les AR sont créés en transférant l'électron le plus externe d'un atome à un état avec une énergie extrêmement élevée. Dans cet état, les orbites des électrons ressemblent aux orbites des planètes en orbite autour d'une étoile. Le qubit fonctionne sur la base de transitions entre différents états de Rydberg. Les états peuvent être définis et lus à l'aide d'impulsions optiques et de l'émission de photons. Les RA froides peuvent être capturées optiquement en les tenant en un seul endroit, afin qu'elles soient accessibles à l'aide d'un système optique.

Malheureusement, leur nature même ne leur permet pas d'interagir directement les uns avec les autres, de sorte que les opérations avec des qubits doivent être effectuées par échange de photons. Et cela, comme dans le cas des ions dans les cristaux, complique excessivement le système optique et la procédure de calcul afin que ce système puisse être transformé en un système réussi. Et ces qubits sont assez difficiles à créer. Amener un grand nombre de RA à un état initial identique n'est pas une tâche triviale.

CBE fournit un merveilleux état quantique, qui peut être manipulé, ainsi que maintenu, avec une très grande précision. Et c'est relativement facile à créer. Mais, comme dans RA, cet état quantique n'affecte pas directement l'état quantique des CBE voisins, ce qui rend très difficile la construction de circuits logiques à partir d'eux.

Il s'agit d'une qualité de gagnant facilement identifiable.

Comparez cela avec des ordinateurs quantiques sur des pièges à ions et des QC supraconducteurs. Dans le cas des pièges à ions, l'état quantique est stocké sur les ions piégés individuels et est lu à partir d'eux. Les qubits peuvent interagir directement les uns avec les autres en raison du mouvement dans le piège, ainsi que par l'émission et l'absorption de lumière et de micro-ondes. Ce système optique reste encore complexe, mais est simplifié grâce à l'utilisation des micro-ondes et des mouvements dans les pièges, qui sont chargés d'effectuer certaines opérations. C'est suffisant pour rendre le système pratique.

Des qubits supraconducteurs sont effectués. Leurs propriétés quantiques sont probablement les pires de tous les rivaux. Cependant, le fait qu'ils soient produits leur permet d'être strictement contrôlés. Opération logique, affectation et lecture des états de qubit, stockage - tout cela peut être conçu pour que l'ordinateur fonctionne le plus longtemps possible. C'est ce sentiment de contrôle qui a donné confiance aux ingénieurs, alors ils ont commencé à augmenter le nombre de qubits.

Les qubits photoniques sont les plus exotiques des trois leaders. Ils ne restent pas immobiles, par conséquent, pour mener des opérations avec eux, une coordination très précise dans le temps est nécessaire, car deux qubits ou plus doivent se chevaucher dans le temps et dans l'espace. Cette exigence complique la conception de schémas photoniques. Mais l'utilisation d'un programme informatique spécial est possible.

Le problème est de rendre le circuit photonique programmable. C'est difficile, mais pas tant que l'ingénieur a crié de peur et s'est enfui. En ce sens, les qubits photoniques ont encore une chance de rester leaders.

L'essentiel est le coût

Aurons-nous la seule technologie pour gouverner tout le monde? Je pense qu'en principe, oui, une technologie dominera. Je pense que les ordinateurs quantiques à photons gagneront, bien que jusqu'à présent, les qubits supraconducteurs conduisent tout le monde. En fait, tout se résume au coût: les cartes sur qubits supraconducteurs sont beaucoup moins chères à produire que les ordinateurs utilisant des pièges à ions ou des circuits à photons. Cependant, les circuits photoniques sont similaires aux circuits intégrés en ce que le coût diminue avec l'augmentation de l'échelle. Par conséquent, dans les grands volumes, la différence de prix sera faible.

Et puis il y a le coût de leur travail. Les ordinateurs sur pièges à ions nécessitent des systèmes à vide avec des pompes coûteuses, et les qubits supraconducteurs fonctionnent à des températures inférieures à la température de l'hélium liquide. L'hélium est cher et les réfrigérateurs à dilution sont également chers. Les schémas photoniques n'ont pas de telles dépenses.

Oui, les schémas de photons rattrapant d'autres rivaux ont des difficultés à concevoir, mais lorsque nous les surmonterons, le coût jouera entre les mains de la photonique. J'ose avoir l'air d'un futuriste (désolé, je me sentirai mal de cette pensée), les deux ou trois premières générations de QC seront un mélange de qubits supraconducteurs et d'ordinateurs ioniques, puis les QC photoniques les attraperont. À la quatrième génération, personne ne saura ce qu'est le qubit transmon .

Je suis donc reconnaissant aux steppers de m'avoir donné accès à un incroyable ordinateur à lumière quantique.