Alexeï Oustinov, professeur de l'Institut de technologie de Karlsruhe (Allemagne), directeur du groupe «Circuits quantiques supraconducteurs» du Centre quantique russe, responsable du laboratoire des métamatériaux supraconducteurs de l'Université nationale de science et de technologies MISiS, évoque dans cette interview les principales nuances de son travail et les tâches actuelles de ce domaine de pointe.
- Monsieur Oustinov, pouvez-vous expliquer ce qu'on attend d'un ordinateur quantique?
- Je pense qu'avant tout, c'est la création de matériaux avec des propriétés données. La puissance de tous les ordinateurs sur Terre ne suffira pas pour la conception d'une molécule ayant plus de cinquante liaisons interatomiques. Actuellement, nous pouvons créer de nouvelles molécules stables uniquement par balayage en testant expérimentalement leurs propriétés chimiques, alors qu'un ordinateur quantique permettra de le faire de manière analytique.
Il existe une multitude de problèmes impossibles à régler pour un ordinateur classique. Les principes de nombreux secteurs, de la cryptographie à l'intelligence artificielle, pourraient entièrement changer avec l'apparition de l'ordinateur quantique.
Sachez qu'il a fallu plus de dix ans, après l'invention du transistor, pour que mûrisse l'idée d'un microprocesseur et comprendre les tâches qu'il était capable de remplir. Je pense que c'est la même chose pour l'ordinateur quantique: en réglant les difficultés fondamentales et en créant un système efficace, nous découvrirons de nombreuses capacités.
- Qu'est-ce qu'un qubit?
- C'est l'analogue d'un bit dans les ordinateurs quantiques. D'un point de vue informatique, c'est un système capable d'accepter à la fois les valeurs dans tout l'intervalle entre 1 et 0, contrairement au bit qui est strictement un 1 ou un 0.
L'information dans les bits peut être traitée seulement consécutivement, bit après bit, alors que les qubits permettent, grâce à l'effet du parallélisme quantique, de traiter toute la masse de données à la fois.
- Comment se déroulent les opérations dans un qubit?
- Les valeurs possibles d'un qubit peuvent être présentées comme la surface d'une sphère de rayon unité, que les spécialistes appellent sphère de Bloch. Les opérations logiques dans le processus de calcul sont réalisées en déplaçant un point sur cette surface.
Les qubits sont contrôlés à l'aide de signaux à micro-ondes qui changent l'état énergétique de la particule. Les résultats sont lus à l'aide d'un résonateur spécial: c'est comme écouter un son calibré sur le qubit qui résonne uniquement dans un diapason de fréquences caractéristiques pour la liaison mobile.
- Combien faut-il de qubits pour que l'ordinateur fonctionne?
- Je pense que la quantité n'est pas le facteur le plus important. La puissance de l'ordinateur quantique n'augmente pas proportionnellement au nombre de qubits, mais à l'exponentielle: par exemple, en ajoutant à quinze qubits un qubit supplémentaire, nous doublerons la puissance de calcul sommaire.
Cependant, de nombreuses astuces sont nécessaires pour créer un qubit, qui est à première vue un système simple composé d'une seule particule. Afin de rendre possibles des opérations significatives il faut éliminer les perturbations physiques qui provoquent des erreurs dans les calculs - des variations de température aux rayons cosmiques. Sinon, au lieu des calculs, nous obtiendrons seulement du bruit.
- Il existe différents projets d'ordinateur quantique. Quelles versions, selon vous, sont les plus prometteuses?
- Deux plateformes principales sont en développement. La première utilise des ions dans le vide retenus par un piège électromagnétique. La seconde, développée notamment par nos laboratoires, utilise ce qu'on appelle des schémas quantiques avec la jonction Josephson - des couches très fines d'aluminium et d'alumine sur un substrat diélectrique refroidis pratiquement jusqu'au zéro absolu.
La création d'un calculateur quantique universel est une tâche qui est loin d'être terminée, il faut l'avouer. La plupart des résultats actuels ont été obtenus sur ce qu'on appelle des simulateurs quantiques - des dispositifs conçus pour résoudre des problèmes mathématiques concrets ainsi que de physique théorique, où le nombre d'erreurs n'est pas très significatif dans la réussite.
- Quels exploits pouvez-vous noter aujourd'hui dans votre secteur?
- Le principal problème des calculs quantiques est le maintien de la cohérence des qubits. En quinze ans nous avons fait beaucoup de progrès en la matière: aujourd'hui, le temps de cohérence des qubits supraconducteurs atteint des dizaines de microsecondes, ce qui est déjà beaucoup, mais encore insuffisant pour résoudre des problèmes appliqués.
Un consortium de qubits supraconducteurs a été créé en Russie et se développe sur la base de plusieurs grands laboratoires quantiques (MISiS, l'Institut de physique et de technologies de Moscou (MFTI), l'Université technique d’État Bauman de Moscou, le Centre quantique russe, l'Institut de physique de l'état solide affilié à l'Académie des sciences de Russie, l'Institut Doukhov de recherche en automatique). En trois ans, nous avons réalisé un travail colossal - on peut dire que nous avons rattrapé dix ans de retard dans ce secteur. Je pense que notre niveau actuel permet de développer notre propre trajectoire de recherche dans cette course cruciale.
