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Les ordinateurs les plus froids du monde

Imaginez que les États-Unis soient attaqués. Un avion ennemi, chargé d'ogives, se dirige vers la côte, plongeant dans et hors du radar. Les avions de combat ont été brouillés et il y a un effort frénétique pour localiser la cible.

Mais la meilleure défense du pays n'est pas un porte-avions ou un système de missiles. C'est une boîte d'atomes incroyablement froids.

«Utilisez l'ordinateur quantique», hurle un général. Les atomes à l'intérieur de l'ordinateur peuvent résoudre des problèmes complexes et, presque instantanément, cracher une instruction sur la façon de reconfigurer un réseau radar afin que l'avion ennemi puisse être suivi et ciblé.

ColdQuanta est une entreprise déjà confrontée à un scénario comme celui-ci. Il a récemment signé un contrat avec l'agence américaine de recherche sur la défense Darpa pour construire un ordinateur quantique capable de déterminer rapidement la meilleure façon de repositionner l'équipement radar en cas de défaillance partielle d'un système de défense.

Le projet repose sur la capacité de rassembler suffisamment d'atomes sous forme de qubits - les éléments constitutifs d'un ordinateur quantique, qui lui permettent d'effectuer des calculs.

Pour ce faire, les atomes doivent être extrêmement froids, ce qui fait de ces ordinateurs les plus froids du monde.

L'informatique quantique est très en vogue, mais la technologie n'en est qu'à ses débuts. Les entreprises commencent tout juste à construire des systèmes qui, selon elles, surpasseront un jour les ordinateurs numériques traditionnels à certaines tâches utiles.

«Ce qu'on nous demande de faire au cours des 40 prochains mois, c'est de pouvoir disposer d'une machine dotée de milliers de qubits pour résoudre un problème de défense dans le monde réel et celui sur lequel nous travaillons est une version de ce radar. problème de couverture », explique Bo Ewald, directeur général de ColdQuanta, basé au Colorado.

L'exemple ci-dessus est un problème d'optimisation, un scénario auquel il peut y avoir des milliers ou des millions de solutions possibles. La clé est de choisir le meilleur.

Outre les applications militaires, les ordinateurs quantiques pourraient avoir des utilisations dans la conception de médicaments, les stratégies d'investissement, le cryptage-cracking et des problèmes complexes de planification pour de grandes flottes de véhicules.

M. Ewald dit que c'est là que les ordinateurs quantiques auront leur impact initial - en trouvant des solutions optimales aux problèmes qui prendraient des ordinateurs existants, même les supercalculateurs les plus rapides, de nombreuses heures ou jours à être résolus.

Il existe différents types d'ordinateurs quantiques en développement, mais l'approche utilisant des atomes neutres ultra-froids comme qubits est inhabituelle - elle est différente des ordinateurs quantiques supraconducteurs développés par de grandes entreprises telles qu'IBM et Google, ou d'autres projets utilisant des atomes chargés, également connu sous le nom d'ions, à la place.

Les ordinateurs quantiques supraconducteurs n'utilisent pas d'atomes individuels comme qubits, et bien que ces systèmes reposent sur des températures basses, ils ne sont pas aussi bas que ceux nécessaires pour les atomes neutres de ColdQuanta.

«Les gens supraconducteurs courent à millikelvin… nous en sommes au microkelvin», explique-t-il fièrement.

Kelvin est une mesure de la température. Zéro kelvin, zéro absolu (-273,15C) est le plus froid que tout puisse être.

Et tandis que le millikelvin est froid, à 0,001 kelvin, les atomes de microkelvin de ColdQuanta sont beaucoup plus froids - à environ 0,000001 kelvin. Les deux sont nettement plus froids, en effet, que partout où nous en avons connaissance dans l'univers naturel.

Dans le cas de ColdQuanta, les atomes de rubidium sont rassemblés dans un vide dans une minuscule boîte en verre hexagonale ou rectangulaire, d'environ un pouce de large, un pouce de profondeur et deux pouces de haut. Les atomes sont maintenus en l'air uniquement par des lasers.

Mais pourquoi la température est-elle si importante? Le professeur Andrew Daley de l'Université de Strathclyde dit qu'il est essentiel de pouvoir manipuler les atomes et de les maintenir en place.

Des lasers brillants sur les atomes les incitent à libérer de l'énergie et à ralentir. Cela permet de les maintenir presque parfaitement immobiles, ce qui est le vrai point ici. Ils ne sont pas froids dans le sens où vous ou moi concevrions du froid - plutôt, ils sont simplement très ralentis.

Une fois que vous avez vos canards - des atomes - dans une rangée, vous pouvez les organiser comme vous le souhaitez, explique le professeur Daley. Ce contrôle fin sur les atomes permet de les placer dans des formations bidimensionnelles ou tridimensionnelles, serrées les unes à côté des autres au cœur d'un ordinateur quantique. C'est important car avec chaque atome supplémentaire, les capacités de l'ordinateur sont doublées.

Produire chaque atome neutre avec encore un autre laser les excite, augmentant considérablement leur taille. Ces ajustements codent des informations ou relient les atomes entre eux via un phénomène étrange appelé intrication. Vous avez maintenant une collection de qubits fonctionnant ensemble comme un système que vous pouvez modifier afin de représenter un modèle mathématique ou un problème quelconque.

Étonnamment, l'utilisateur d'un ordinateur quantique pourrait en théorie programmer ce système pour simuler un grand nombre de possibilités à la fois. Ce n'est pas tout à fait comme un ordinateur traditionnel traitant beaucoup de calculs en parallèle, c'est plus étrange et moins prévisible que cela et obtenir une réponse utile à la fin est délicat.

«Ce que vous voulez, c'est que l'état quantique à la fin représente la réponse au problème que vous essayez de résoudre», déclare Jonathan Pritchard, collègue du professeur Daley à Strathclyde. L'ordinateur quantique devrait finir par favoriser un état particulier, ou une réponse particulière à un problème.

Pour le bon problème, cela pourrait nous rapprocher beaucoup plus d'une réponse optimale, à la fois plus rapidement et plus efficacement, qu'un ordinateur traditionnel.

«Nous attendons vraiment encore une démonstration d'une tâche informatique où nous pouvons prouver que ces machines ont fait quelque chose au-delà de ce que vous pouvez faire sur un ordinateur classique - pour quelque chose qui est réellement utile», déclare le professeur Daley.

Illustration of atoms

La société française Pasqal construit un système prototype, basé sur des principes similaires à ColdQuanta.

Le système de Pasqal est destiné au géant de l'énergie EDF, qui, s'il fonctionne, proposera des horaires ultra-efficaces pour recharger les véhicules électriques. Plus précisément, l'objectif est de minimiser le temps total nécessaire pour terminer la charge de tous les véhicules tout en donnant la priorité à certains véhicules plus importants par rapport à d'autres.

Ce genre de problème pourrait être résolu par un ordinateur traditionnel, admet Christophe Jurczak, président, mais il soutient qu'un système quantique finira par être beaucoup plus rapide, le faisant en une heure plutôt qu'en 24 heures par exemple.

«Cela ne semble pas si important, mais si vous voulez mettre à jour votre stratégie toutes les heures, c'est une grande différence», dit-il. Et il pourrait utiliser 100 fois moins d'électricité qu'un supercalculateur dans le processus.

Pour le moment, tout cela reste à démontrer pour de vrai. Mais il y a des signes que dans les prochaines années - plus rapidement que certains ne l'avaient prévu - nous découvrirons à quel point cette race d'ordinateurs incroyablement froids est vraiment utile.