Des chercheurs de l’Institut Weizmann des sciences présentent le premier ordinateur quantique d’Israël.

La construction d’un ordinateur quantique fonctionnel est une entreprise tellement intimidante que beaucoup pensent qu’elle est réservée aux géants de la technologie et aux superpuissances, et qu’elle est hors de portée d’Israël. Le professeur Roee Ozeri, de l’Institut Weizmann des sciences, est d’un autre avis : « L’un des premiers ordinateurs du monde, WEIZAC, a été construit ici dans les années 1950, alors qu’Israël n’avait que des marécages et des chameaux. Aujourd’hui, Israël est un empire technologique ; il n’y a aucune raison pour que nous ne soyons pas en tête de la course à l’informatique quantique. »

Dans le cadre d’un projet rapporté aujourd’hui dans PRX Quantum, l’équipe d’Ozeri a réussi à construire un ordinateur quantique – l’une des 30 machines de ce type dans le monde, et l’une des moins de 10 à s’appuyer sur une technologie avancée connue sous le nom de pièges à ions. Un ordinateur encore plus grand est déjà en préparation dans le laboratoire d’Ozeri, et celui-ci a déjà un nom : en hommage à WEIZAC, inauguré à Weizmann en 1955, les scientifiques prévoient de l’appeler WeizQC.

Les ordinateurs quantiques promettent d’atteindre une complexité de calcul impensable, même avec les ordinateurs classiques les plus puissants. Ce niveau de capacité est connu sous le nom d' »avantage quantique ». Il devrait donner lieu à une multitude d’applications, allant de la conception de codes inviolables et de la prévision des fluctuations du marché à l’accélération du développement de nouveaux médicaments, matériaux et systèmes d’intelligence artificielle. En effet, contrairement aux ordinateurs actuels, qui sont limités par les frontières de la physique classique, les ordinateurs quantiques obéissent à un tout autre ensemble de lois – celles de la mécanique quantique, qui régissent le monde microscopique. Dans notre monde familier, les humains, les chats ou même les bits, les unités d’information de base de l’informatique classique, ne peuvent se trouver qu’à un seul endroit à la fois. En revanche, les bits quantiques, appelés qubits, peuvent être présents simultanément dans plus d’une position ou d’un état, ce qui leur permet d’effectuer plusieurs calculs en parallèle, ouvrant ainsi la porte à une vaste puissance de calcul.

M. Ozeri est devenu un pionnier de la recherche sur l’informatique quantique en Israël il y a une quinzaine d’années, après son retour des États-Unis, où il avait effectué ses études postdoctorales sous la direction du lauréat du prix Nobel David Wineland. « À l’époque, l’informatique quantique était réalisée dans les laboratoires universitaires », explique M. Ozeri. « Mais au cours de la dernière décennie, des entreprises commerciales telles que Google, Amazon et IBM ont rejoint la course à la construction d’un ordinateur quantique, tandis que les États-Unis, la Chine et l’Union européenne ont lancé des programmes stratégiques massivement financés pour faire progresser le domaine. »

Malgré cette expansion de la recherche, des défis importants subsistent. L’un des plus grands obstacles est l’extrême sensibilité des ordinateurs quantiques au bruit ambiant, qui empêche la construction de grands systèmes complexes. Dans un projet dirigé par le Dr Tom Manovitz et l’étudiant en recherche Yotam Shapira, l’équipe d’Ozeri a relevé ce défi en introduisant deux innovations, toutes deux mises en œuvre avec succès dans l’ordinateur quantique que les chercheurs ont construit dans leur laboratoire.

Attention, c’est un piège

Les ordinateurs d’aujourd’hui reposent tous sur le même matériel de base, mais dans le domaine de l’informatique quantique, plusieurs technologies différentes se disputent encore la première place. Parmi les principaux concurrents figurent les pièges à ions, des systèmes dans lesquels chaque ion – c’est-à-dire chaque atome chargé électriquement – représente un seul qubit. Tout comme les bits ordinaires peuvent se déplacer entre deux états, 0 et 1, les qubits basés sur les ions peuvent passer d’un état à l’autre, définis par les différentes trajectoires d’un électron autour du noyau atomique. Au lieu de recourir à l’électronique standard, la commutation des qubits dans un piège à ions se fait au moyen de lasers. Ces opérations basées sur les qubits sont appelées portes logiques. Les calculs complexes nécessitent des portes impliquant plus d’un qubit, mais ces opérations sont sensibles, et le moindre bruit ambiant peut faire perdre au système sa nature quantique. Pour éviter que cela ne se produise, les chercheurs de Weizmann ont mis au point un modèle d’impulsions laser qui assure la robustesse et la stabilité des portes logiques.

Pourtant, même lorsque les portes sont robustes, la grande sensibilité du système peut l’amener à accumuler des erreurs qui menacent d’annuler sa nature quantique. Pour corriger une erreur, il faut d’abord la trouver, ce qui nécessite de mesurer les qubits. Mais il y a un hic : Mesurer constitue un acte invasif qui conduit inévitablement à la perte de la nature quantique du système. La solution consiste à ne mesurer que certains qubits, pas tous. Dans les ordinateurs à ions piégés, les mesures sont effectuées en illuminant les ions et en déterminant les états des qubits par la diffusion de la lumière qui en résulte, le cas échéant. Dans leur nouvel ordinateur, les scientifiques de Weizmann ont remplacé les détecteurs de lumière qui capturent les états des ions individuels par un réseau de caméras qui détecte tous les qubits simultanément. Puis, pour protéger la nature quantique du système, ils ont dissimulé certains qubits à la caméra. Ils ont également mis au point un moyen de surmonter le ralentissement du traitement des données qui avait été associé aux réseaux de caméras : Ils ont ajouté des circuits électroniques qui lisent et traitent rapidement les informations des caméras, accélérant ainsi la correction des erreurs.

L’ordinateur de Weizmann est une machine à cinq qubits, soit à peu près le niveau atteint par la version d’IBM lorsque la société a commencé à proposer l’informatique quantique sous forme de service en nuage. Le WeizQC, qui est actuellement en cours de construction dans le laboratoire d’Ozeri, devrait fonctionner avec 64 qubits. Il devrait démontrer l’avantage quantique, qui jusqu’à présent n’a été atteint que par des ordinateurs construits dans deux laboratoires : chez Google et à l’Université des sciences et technologies de Chine.

Les participants au projet comprenaient l’étudiant en recherche Lior Gazit, le Dr Nitzan Akerman et d’autres étudiants et scientifiques du laboratoire d’Ozeri au sein du département de physique des systèmes complexes de Weizmann. Les recherches théoriques accompagnant le projet ont été menées par le professeur Ady Stern du département de physique de la matière condensée de Weizmann.

Les recherches du professeur Ozeri sont soutenues par l’Institut de leadership de la famille Willner pour l’Institut Weizmann des sciences et par la bourse de recherche Rosa et Emilio Segre.