Des ordinateurs quantiques avec des CPU et mémoires séparés

À ce jour, les ordinateurs quantiques sont mis en œuvre pour que la programmation des opérations soit intégrée dans leur structure physique. Bien que de nombreuses démonstrations dans l’informatique quantique aient permis de concevoir des dispositifs à des usages spécifiques, ils ne peuvent pas facilement être reprogrammés ou améliorer pour résoudre d’autres problèmes plus importants comme l’ordinateur classique.

L’architecture des ordinateurs classiques repose sur l’architecture de Von Neumann, qui comprend une unité centrale de traitement (CPU) pour faire des calculs, une mémoire qui contient les données et les instructions du processeur et une interface d’entrée et de sortie du CPU pour modifier les informations dans la mémoire. Cette architecture est facilement adaptable à presque n’importe quelle taille, type d’équipement avec une capacité désirée.

Récemment, le groupe de recherche de John Martinis de l’Université de Californie à Santa Barbara a crée le premier ordinateur quantique programmable à un usage général. Leur ordinateur quantique utilise des circuits supraconducteurs pour former un ordinateur quantique dont l’architecture soit équivalente à celle de Von Neumann. Le résultat a donné le premier ordinateur quantique universel (à usage général). Pour illustrer l’importance de cette conception, le circuit de l’UCSB (Université de Californie à Santa Barbara) qui a deux registres qubit (bit quantique) et deux mémoires intriquées a été utilisé pour simuler une porte logique à trois qubits. Une telle fonction permettra de résoudre les problèmes d’engorgements (capacité d’informations supérieure à celle que le CPU peut supporter selon l’architecture de Von Neumann).

Le transporteur de l’information quantique est le qubit, comparé par analogie au bit classique. Mais alors que le bit est un simple signal de 1 ou 0, le qubit est par essence un vecteur unitaire dont la direction est décrite par une paire d’angles, θ et Φ. Ces angles décrivent la superposition des états quantiques que constitue l’information quantique dans le qubit. Tandis qu’un bits définit un paramètre binaire unique (+ 1), un qubit définit une variable continue complexe. Lorsqu’une opération quantique est réalisée sur un qubit, ces angles changent, en modifiant ainsi l’ information quantique contenue dans ce qubit. Tout calcul quantique est finalement réduit à combiner les angles des états quantiques.

les circuits supraconducteurs utilisés pour la mise en œuvre de l’ordinateur quantique Von Neumann de l’UCSB  ont été choisi pour leur capacité à stocker le qubit d’informations et leur facilité de production en utilisant des techniques de micro-fabrication standard. En plus, leur structure permet de coupler facilement les ondes radio MHz et GHz; ce qui permet un contrôle plus efficace des opérations informatiques au niveau électronique.

Une plus grande dimension physique implique plusieurs types d’interférences dues aux interactions environnementales conduisant à la décohérence des qubits supraconducteurs. Ce qui nous amène à réduire le temps de cohérence du qubits d’environ 4 microsecondes sur le circuit de l’UCSB. Toutefois, le paramètre clé est le nombre d’opérations quantiques qui peut être traité dans le temps de cohérence. Dans le cas de l’ordinateur de l’UCSB, plusieurs centaines de cycles d’opérations peuvent être réalisées sans perdre la cohérence quantique. Cependant, le nombre d’opérations quantiques cohérentes doivent être considérablement augmenté pour être utilisé dans un ordinateur quantique supraconducteur de plus grande échelle.

L’organisation bas niveau de l’ordinateur quantique de l’UCSB est appelée RezQu (architecture Résonateur/zéro-Qubit). Il s’agit d’un ensemble de qubits supraconducteurs (dans l’exemple actuel, deux qubits). Chacun des qubits supraconducteurs est couplée à un  résonateur de mémoire dédiée, ainsi que d’un bus commun d’informations de résonance quantique. Le bus est utilisé pour coupler des qubits au cours des opérations de calcul, tandis que les résonateurs de mémoire sont utilisés pour stocker l’état actuel des qubits. Lorsqu’un qubit passe dans son résonateur de mémoire, il est placé dans un état fondamental.

Grâce à leur nouvelle architecture, le groupe de l’UCSB a pu mettre en œuvre la porte à trois qubits de Toffoli ou porte en phase avec une fidélité de 98%. Le calcul quantique  Universelle peut être effectué en utilisant des combinaisons de la porte de Toffoli et des simples angles du qubit. Cependant, il semble  qu’actuellement une fidélité de 98% ne représente pas un taux  d’erreur suffisamment faible pour permettre aux algorithmes classiques de correction d’erreurs de pouvoir reconstituer correctement l’information. Ainsi, l’ordinateur quantique Von Neumann de l’UCSB est potentiellement capable de calcul quantique universel mais limité uniquement par les ressources mémoires et le temps de cohérence quantique. Il est nécessaire aussi d’améliorer sa fidélité pour utiliser tout son potentiel.

La documentation de leur recherche a été publiée en ligne ici.

Source : gmag, ucsb, physicsworld