Article paru en novembre 2002Le quantronium, premier pas vers un processeur quantique
Qubit > Avec une puce en silicium et des fils d'aluminium supraconducteurs interrompus par trois jonctions Josephson, le groupe Quantronique du CEA a réussi à produire le premier bit quantique, aujourd'hui breveté. La différence avec un bit classique ? Au lieu d'être alternativement 0 ou 1, ce « qubit » superpose les deux états. Mais cette superposition ne supporte aucune interaction avec le monde extérieur non quantique, notamment avec un système de mesure. Les chercheurs ont contourné cette difficulté en isolant le qubit pendant sa manipulation, effectuée par des impulsions radiofréquence, puis en le branchant au système de mesure pour en déterminer l'état. La durée de vie de ce qubit : 0,5 microseconde ! Court, mais suffisant pour envisager la construction d'une porte logique quantique afin de commencer les calculs par ordinateur sur le mode quantique.
"Nous avons été étonnés de voir la mécanique quantique fonctionner aussi bien dans ce premier circuit à un bit" déclare Daniel Estève, chercheur et responsable du groupe Quantronique au CEA. Mis au point fin 2001, ce système breveté sous l'appellation « quantronium » est composé d'une puce en silicium dotée de trois fils d'aluminium supraconducteurs et de trois jonctions Josephson. Les états classiques de 0 et 1 y sont superposés.
« La mécanique quantique offre la possibilité de faire des tâches de calcul hors de portée des ordinateurs actuels, même en tenant compte des progrès futurs dans leur vitesse de calcul. Il existe en effet des algorithmes quantiques qui résolvent en temps polynomial des problèmes pour lesquels les algorithmes classiques demandent un temps exponentiel » explique le chercheur. Mais pour faire fonctionner ces algorithmes quantiques, il faut un ordinateur quantique. Avec la découverte de l'équipe Quantronique, on est enfin - les recherches ont commencé dans les années quatre-vingt-dix - au premier bit !
L'une des difficultés était de vérifier l'existence d'un bit quantique : la mesure implique une interaction avec le monde non quantique, donc la décohérence du système quantique. « Pourtant, nous avons réussi à mesurer la durée de vie de notre qubit » assure Daniel Estève.
Comment ? En isolant le circuit en dehors des phases de mesure. Explication : le quantronium est composé de trois jonctions Josephson. Une jonction Josephson est constituée de deux électrodes supraconductrices séparées par une barrière isolante assez mince pour permettre le passage de paire d'électrons par effet « tunnel ». Deux des jonctions forment le bit quantique, la troisième servant d'isolateur, ou d'appareil de mesure lorsqu'un courant la traverse.
En envoyant des impulsions radiofréquence sur la puce, les chercheurs ont réussi à écrire des états superposés d'un qubit. Ils les ont ensuite lus en appliquant des impulsions de courant à la jonction de lecture et en mesurant la tension à ses bornes. Ce qui leur permet de savoir que le qubit a « tenu » 0,5 micro-seconde.
Aujourd'hui, quelques équipes de recherche dans le monde - une quinzaine travaillent sur le sujet en Europe, aux Etats-Unis et au Japon - commencent à reproduire les résultats obtenus au CEA. Pour la dizaine de personnes de l'équipe Quantronique, la prochaine étape est double : améliorer le qubit actuel et en obtenir deux pour construire une porte logique. Les premières briques d'un futur ordinateur quantique pourront alors être posées ! Mais il est encore impossible de fixer un rendez-vous pour voir un processeur élémentaire
