Pour comprendre l’informatique quantique, nous avons parlé à Erik Lucero, PhD, chercheur scientifique et responsable de site pour Google Santa Barbara, le Campus d’IA quantique. Lucero ’05 a commencé ses études à CU Denver, où il a obtenu une double spécialisation en ingénierie électrique et la physique.

Bits, Qubits et Superposition

Avant de passer à l’informatique quantique, démystifions quelques termes. Quantum signifie simplement très petit. La mécanique quantique est la meilleure théorie de l’humanité expliquant le comportement de la nature. Combinez le quantum avec des ordinateurs, et vous avez un ordinateur qui calcule avec la mécanique quantique.

« Nous construisons un nouveau type d’ordinateur », a expliqué Lucero. « Il est important de comprendre ce que nous avons pour les ordinateurs aujourd’hui. Nous appelons ces ordinateurs classiques. Un ordinateur classique est comme un boulier ; son calcul est régi par la logique booléenne. Les blocs de construction fondamentaux sur un ordinateur classique sont appelés bits, qui peuvent être 0 ou 1. En informatique quantique, les blocs de construction sont appelés qubits (abréviation de bits quantiques). Les qubits peuvent exister sur un spectre. « Nous décrivons cela comme une superposition, c’est-à-dire que le qubit peut être à la fois à zéro et à un. Et avec cet ensemble plus riche d’espace de calcul, un ordinateur quantique remplace la logique booléenne par les lois de la mécanique quantique. En bref, un ordinateur quantique peut explorer un espace de calcul plus riche qu’un ordinateur classique. Ce n’est pas non plus, c’est les deux. C’est combien en 0 ? Combien fait-il en 1 ? » dit Lucero.

Qu’est ce que ça fait?

La superposition complexe des qubits imite le comportement des molécules dans le monde réel. Mais que peuvent réellement faire les ordinateurs quantiques ? « Nous pensons que les ordinateurs quantiques pourraient être utiles pour des applications spécialisées qu’un ordinateur quantique peut faire plus rapidement qu’un ordinateur classique », a déclaré Lucero. Par exemple, l’informatique quantique pourrait être utilisée pour créer des batteries plus efficaces qui ne dépendent pas des métaux des terres rares.

Ou cela pourrait affecter positivement la façon dont nous nourrissons le monde. « Un à deux pour cent de toute la consommation d’énergie de l’humanité va à la production d’engrais », a expliqué Lucero. « Avec un ordinateur quantique à correction d’erreur, nous pensons pouvoir modéliser le processus chimique utilisé par la nature pour fixer l’azote et le transformer en engrais avec une consommation d’énergie beaucoup plus faible. » L’ordinateur quantique ultra-rapide pourrait également être utilisé pour inventer et tester de nouvelles thérapies médicales. En modélisant le comportement des molécules dans un scénario donné, les scientifiques pourraient économiser du temps et des ressources en évitant de fabriquer des médicaments ciblés qui ne fonctionneront pas. « Ces types de thérapie sont un gros investissement », a déclaré Lucero. « Si vous pouviez faire les tests en simulation au préalable, vous pourriez rendre le processus de découverte de médicaments moins cher. »

Mais d’abord, Lucero et son équipe chez Google doivent améliorer leur ordinateur quantique existant, afin qu’il devienne un ordinateur quantique à correction d’erreur. En d’autres termes, il doit corriger les erreurs qu’il commet au fur et à mesure de ses calculs. « Nous avons publié un feuille de route« , a déclaré Lucero. « Au cours des 10 prochaines années, nous pensons pouvoir construire un ordinateur quantique à erreur corrigée. »

À l’heure actuelle, les ordinateurs quantiques de Google commencent à montrer comment corriger les erreurs (La nature, 14 juillet 2021). Et ils ont montré que pour des problèmes spécifiques, ils peuvent effectuer des calculs sur leur ordinateur quantique en quelques centaines de secondes, ce qui prendrait 10 000 ans à un supercalculateur (La nature, 23 octobre 2019). Ils effectuent des calculs à des vitesses très rapides, exponentiellement plus rapides que les ordinateurs classiques. Une partie de cela est réalisée grâce à la réfrigération spécialisée. Les ordinateurs quantiques nécessitent des cryostats (super réfrigérateurs) pour assurer le bon fonctionnement des qubits supraconducteurs. « L’eau gèle à 273 kelvins », a expliqué Lucero. « Notre réfrigérateur descend à 10 millikelvins, soit plus froid que l’espace intergalactique. »

La photographie capture le progrès technologique

L’une des passions de Lucero est la photographie, et il pense qu’elle a des similitudes avec l’informatique quantique. Dans un récent épisode de L’Artien podcast, Lucero a déclaré que les deux disciplines nécessitent « un ordre particulier et des soins exquis ».

Les photographies de Lucero ont également servi de record historique de progrès dans le domaine des processeurs informatiques quantiques. « J’ai une lignée cool de tous les processeurs sur lesquels j’ai travaillé », a-t-il déclaré. « Je partage cela avec d’autres membres de l’équipe pour encourager les autres à documenter de manière à pouvoir parler de leur travail en montrant et en expliquant. »

Ses photographies aident les gens à voir à quoi ressemblent réellement les ordinateurs quantiques. « Les images donnent vraiment vie aux choses », a-t-il déclaré. Pour les apprenants visuels, c’est très utile. Mais Lucero est également devenu assez bon pour décrire le processeur quantique de Google. « Cela ressemble à un lustre », a-t-il déclaré. « Une grande scène en métal avec un certain nombre de couches de beaux fils. »

Au-delà des calculs classiques

L’objectif de Google est de construire un ordinateur quantique avec correction d’erreurs. Pour ce faire, Lucero et son équipe s’appuieront sur une science établie. « Nous nous tenons sur les épaules de géants », a-t-il déclaré. Il attribue aux « prix Nobel en plus des prix Nobel » d’avoir jeté les bases de l’âge d’or du matériel quantique.

Il attribue également à CU Denver une partie de son propre succès. « Je veux souligner Martin Huber, un excellent conseiller, mentor et ami. Martin réalise des recherches impressionnantes avec des étudiants de premier cycle, des recherches de classe mondiale comparables à celles de n’importe quelle université de recherche. Lucero attribue également au professeur agrégé Randy Tagg pour sa « grande capacité à enseigner l’intuition et à susciter l’enthousiasme des ingénieurs pour la physique ».

Lucero, qui est un étudiant de première génération, a appris la possibilité de devenir chercheur de carrière à CU Denver. « Je n’avais aucune idée de la trajectoire des études supérieures », a-t-il admis. « La combinaison d’opportunités que j’ai eues à CU Denver, les professeurs talentueux auxquels j’ai eu un accès direct, les petites classes et le mentorat incroyable de Martin [Huber], m’a permis de faire des études supérieures mon objectif.

Pour la prochaine décennie, Lucero aura un nouvel objectif en plus de construire un ordinateur quantique à correction d’erreur : construire son équipe informatique quantique. « En tant que leader dans ce domaine, je pense à la prochaine vague de talents », a-t-il déclaré.