La recherche fondamentale quantique transformera la science et l'industrie

La recherche fondamentale quantique transformera la science et l'industrie
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La promesse de l'informatique quantique semble illimitée: recherche Internet plus rapide, analyse des données financières à la vitesse de l'éclair, déplacements plus courts, meilleure prévision météorologique, médicaments anticancéreux plus efficaces, nouveaux matériaux révolutionnaires, etc. Mais nous n’y sommes pas encore. En se concentrant sur des points de repère étroits, tels que le nombre (en nombre) de bits quantiques, ou qubits, créés par les derniers ordinateurs, crée un instantané myope d'un vaste paysage technique. L'objectif va au-delà des ordinateurs plus rapides pour englober des innovations largement répandues dans les domaines de la science de l'information quantique, des matériaux et des technologies, tels que les capteurs quantiques, un domaine extrêmement vaste.

Se focaliser étroitement sur l’informatique n’accélérera pas l’arrivée de la suprématie quantique – la promesse alléchante d’un avenir où les ordinateurs quantiques surpassent les ordinateurs classiques dans les tâches de calcul d’importance pratique. Cela ne viendra que de la recherche et du développement à large spectre couvrant la mécanique quantique fondamentale, la science de l'information, la science des matériaux, l'informatique et le génie informatique, entre autres domaines.

La meilleure approche place la science en premier. La résolution de problèmes scientifiques fondamentaux en sciences quantiques à travers toutes ses complexités jettera les bases d'un éventail de technologies futures et permettra un progrès scientifique et industriel transformateur. Et ne vous y méprenez pas, ces technologies seront des moteurs majeurs du progrès scientifique, de l'économie et même de la sécurité nationale.

Un jour.

Dire que l'informatique quantique en est à ses balbutiements est une exagération. C’est encore dans l’utérus. Le domaine trie les questions de base concernant les architectures et les technologies permettant de créer et de contrôler les qubits. Les Qubits sont les unités de traitement fondamentales des ordinateurs quantiques, et quelle que soit la méthode utilisée pour les fabriquer, ils ne conservent toujours pas leur «quantumness» assez longtemps pour effectuer des tâches bien au-delà des calculs de preuve de concept.

Le défi est inhérent à l’étrangeté inhérente à la physique quantique, qui a déconcerté les esprits les plus brillants du monde depuis plus de 100 ans. Les questions de base sur le comportement des particules dans le domaine subatomique – comportement qui permet l'informatique quantique – restent sans réponse. Les réponses éventuelles combleront d'énormes lacunes dans notre compréhension des rouages ​​les plus fondamentaux de l'univers.

C’est aussi ce qui rend la science quantique si passionnante.

Manquant de réponses, les scientifiques débattent toujours sur ce qui fait un ordinateur quantique. Les conditions de toutes sont-elles requises? L'enchevêtrement est présenté comme l'ingrédient clé, mais cela n'a pas été prouvé. Cela semble indispensable dans certains cas, mais pas dans d'autres.

Un enchevêtrement se produit lorsque plusieurs particules ne peuvent être décrites que par un état global et non par un état individuel. Ceci est analogue à la lecture d’un livre où les pages individuelles n’ont aucun sens, mais où les informations apparaissent une fois que vous les avez toutes lues. Les ordinateurs normaux peinent à représenter un enchevêtrement, ce qui limite considérablement leur capacité à simuler des systèmes quantiques, tels que des médicaments ou des matériaux supraconducteurs. C'est l'une des raisons pour lesquelles nous avons besoin d'ordinateurs quantiques.

La superposition découle de la dualité onde-particule de particules élémentaires du domaine quantique, telles que les électrons, les photons, les ions et les atomes. Chacune est une fonction d'onde de probabilités concernant son état observable, telle que la position, le spin, la polarisation (pour un photon) ou le moment cinétique. Une particule, ou qubit, peut occuper plusieurs états à la fois. Ces états peuvent être «lus» un peu comme lire un bit de calcul classique comme 0 ou 1, mais un qubit a beaucoup plus de valeurs potentielles correspondant aux probabilités simultanées d'être 0 ou 1. Cette propriété accélère le calcul.

La décohérence, l'ennemi de l'informatique quantique, frappe lorsque des facteurs environnementaux décomposent l'état quantique. Décrits vaguement comme du «bruit», ces facteurs incluent l'enchevêtrement dans l'environnement externe ou la chaleur. Mesurer la valeur d'un qubit réduit également la fonction d'onde, et le qubit doit être configuré à nouveau, comme si vous appuyiez sur le bouton «Effacer» d'une calculatrice.

Parce que nous ne comprenons toujours pas comment tout cela fonctionne, l'informatique quantique à grande échelle restera insaisissable à mesure que la science approfondira le monde quantique. La science est enracinée dans la théorie, qui doit ensuite être observée par l'expérience, qui affine ensuite la théorie et génère davantage d'expériences. À mesure que les résultats se solidifient, des applications pratiques émergent dans la technologie.

Dans la recherche quantique, par exemple, nous avons déjà vu ce scénario émerger dans le cas du. Formulé par Wojciech Zurek, du Laboratoire national de Los Alamos, et William Wooters, anciennement du Williams College, au début des années 1980, le théorème stipule qu'un état quantique inconnu ne peut pas être copié exactement. Los Alamos a développé au cours des dernières années un dispositif de distribution à clé quantique basé sur ce principe, qui permet de créer des communications à l'épreuve des piratages, une avancée majeure en matière de cybersécurité.

C’est un exemple de la façon dont la recherche scientifique fondamentale engendre la technologie. Zurek poursuit ses travaux théoriques en mécanique quantique et étudie actuellement la décomposition de la cohérence quantique de l'espace-temps près d'un trou noir. Un tel travail de science pure ne résout pas un problème technologique, mais il pourrait un jour nous expliquer pourquoi la décohérence handicape les particules produisant des qubits dans les ordinateurs quantiques.

Plus près de chez nous, même les ordinateurs quantiques limités d’aujourd’hui sont un excellent endroit pour tester la théorie en simulant la physique quantique, car ils établissent exactement les conditions que nous souhaitons étudier. Cette capacité fera progresser la physique dans les domaines bloqués par les limites de l'informatique classique et aidera à répondre aux questions de physique fondamentales.

Ainsi, par exemple, un projet de Los Alamos utilisant un ordinateur quantique disponible dans le cloud et accessible au public cherche à observer comment le comportement classique – le déterminisme fiable que nous observons dans notre monde quotidien – émerge des probabilités quantiques. La transition quantique-classique reste l'un des grands mystères non résolus de la science. Cela a une incidence directe sur la perte de cohérence des ordinateurs quantiques et sur la manière dont nous pouvons créer des qubits durables qui conservent la cohérence suffisamment longtemps pour permettre des calculs approfondis, ouvrant ainsi la voie aux ordinateurs quantiques à grande échelle.

Sur un autre front, la recherche sur les matériaux quantiques est essentielle pour développer des ordinateurs quantiques robustes et une constellation d’autres technologies. De manière générale, l'objectif ultime est de créer des états quantiques contrôlables particuliers que nous pouvons manipuler. Cela nécessite d'isoler les qubits de leur environnement pour éviter les intrusions indésirables.

Les différentes architectures explorées pour l'informatique quantique dépendent de différentes manières de créer des qubits. Certains ordinateurs utilisent les états d'ions piégés à très froid, tandis que d'autres utilisent des boucles supraconductrices. De nouvelles recherches explorent les qubits de défauts, ou de vides, à la surface de solides, tels que des cristaux de diamant ou des semi-conducteurs atomiquement minces. Le travail cherche à placer précisément ces défauts là où ils sont nécessaires, offrant un chemin vers des états quantiques contrôlables, des qubits robustes et des circuits de qubits dans des matériaux solides à la température ambiante – un objectif ambitieux mais apparemment réalisable.

D'autres recherches exploitent la superposition pour créer des capteurs quantiques «atomtroniques» (par opposition à électroniques) qui détectent avec précision les rotations, l'accélération, les champs électromagnétiques, etc. La prochaine étape consiste à exploiter l’enchevêtrement. Ensuite, une particule n'a besoin que d'un atome du détecteur pour réduire la superposition et — cliquez! – enregistrer une mesure. Des recherches connexes ont «peint» des guides d'onde de matière peints qui fonctionnent comme des circuits à fibres optiques mais sont beaucoup plus sensibles. Ils pourraient être utilisés pour créer un gyroscope «atomtronic», qui pourrait un jour permettre une navigation indépendante des systèmes GPS.

Tandis que la théorie et la recherche fondamentale avancent et que les géants de la technologie explorent l'architecture fondamentale des ordinateurs quantiques, la clé pour exploiter tout leur potentiel sera d'utiliser des algorithmes, un ensemble d'instructions indiquant à l'ordinateur quoi faire. Ils doivent exploiter les caractéristiques uniques des ordinateurs quantiques sans succomber aux pièges inhérents au tigre du monde quantique. Bien que les preuves soient très suggestives, nous ne savons pas encore quelles classes d’algorithmes pourraient être activées de manière unique par l’informatique quantique.

Dans le cadre de travaux typiques de la synergie entre la théorie quantique, la science de l'information quantique et l'informatique, les scientifiques de Los Alamos ont adapté des algorithmes allant de la physique de la matière condensée à un nouvel objectif: découvrir et développer des algorithmes robustes pour les ordinateurs quantiques à petite échelle bruyants et problématiques disponibles. aujourd'hui. Des recherches connexes appliquent l'apprentissage quantique par la machine, une stratégie exotique dans laquelle l'ordinateur quantique apprend lui-même à adapter ses propres algorithmes pour effectuer des calculs précis en dépit de son bruit.

L’informatique quantique suscite la part du lion de l’attention des médias en raison de ses prétentions extravagantes: elle rendra les systèmes de cybersécurité actuels obsolètes, elle traitera de vastes flux de données en un clin d’œil, elle permettra à l’intelligence artificielle de surpasser l’intelligence humaine. Une partie de cela pourrait se réaliser, d'autres pas. Seul un engagement ferme en faveur d’une recherche quantique élargie nous le dira. Quoi qu’il en soit, ces recherches déboucheront sur des informations inattendues, de nouvelles solutions à des problèmes anciens et des avantages surprenants pour la compétitivité économique, la sécurité nationale et la vie quotidienne.

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