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10 découvertes 2016

[3] Lumière sur l'ordi du futur

Physique
Par Joël Leblanc - 02/01/2017
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Nous serions plus près que jamais d’un ordinateur ultra puissant, grâce à une avancée en physique optique.

La mise au point d’un ordinateur quantique est le graal de nombre de chercheurs dans le monde entier. Une équipe québécoise vient de faire un « pas de géant dans cette direction », comme le dit l’un des chercheurs concernés, Roberto Morandotti, de l’Institut national de la recherche scientifique.

Contrairement à l’informatique classique, qui repose sur des bits pouvant prendre la valeur de 0 ou de 1, la version quantique repose sur des qubits qui peuvent prendre les valeurs de 0 et de 1, en même temps. De plus, les qubits sont tous reliés entre eux par un phénomène appelé intrication quantique : un changement appliqué à l’un s’appliquera aussi à deux ou plusieurs autres. Le résultat de ces particularités ? Une puissance qui sera fracassante. Pour certaines tâches, ces ordinateurs du futur accompliront en deux minutes des calculs nécessitant des millions d’années de travail pour une machine classique !

Mais afin de produire ces fameux qubits, il faut réussir à dompter les lois de la physique quantique, celles qui régissent la matière à l’échelle des atomes et des particules. Une fois qu’on parvient à générer les qubits, il faut les maintenir en état quantique. Ce n’est guère facile, comme le constatent tous les chercheurs qui y travaillent depuis le milieu des années 1990.

Pour l’instant, les stratégies mises au point un peu partout dans le monde nécessitent des milieux hautement contrôlés, à l’abri des perturbations thermiques et électromagnétiques. Des machines grosses comme des cabines téléphoniques n’hébergent que quatre ou cinq qubits, alors qu’un ordinateur quantique digne de ce nom devra en compter des milliers.

La solution de Roberto Morandotti et ses collègues est tout autre. « Nous avons développé une puce optique qui fonctionne à n’importe quelle température et qui est plus petite qu’une pièce de 1 $, ce qui est inhabituel dans le domaine des machines quantiques. » Une découverte qui a fait grand bruit lors de sa parution dans la revue Science en mars 2016.

Leurs qubits sont en fait des photons quantiques. « Ils peuvent exister à la température ambiante et parcourir de longues distances en gardant assez longtemps leurs propriétés », explique Roberto Morandotti qui s’était aussi illustré dans notre palmarès l’an passé.

Malgré sa taille réduite, la puce du physicien d’origine italienne inclut toute une quincaillerie dans laquelle la lumière circule. Un petit laser émet d’abord une pulsation de lumière ultra brève – quelques femtosecondes – qui passe dans un dispositif appelé « interféromètre » servant à dédoubler la lumière. Les deux impulsions lumineuses traversent ensuite un petit anneau de verre qui sert à décomposer cette lumière en un spectre de plusieurs fréquences lumineuses; on passe ainsi d’une paire d’impulsions d’une même couleur à plusieurs paires de couleurs différentes. « C’est ce qu’on appelle un peigne de fréquence optique, continue le chercheur. Comme elles proviennent d’une même paire d’impulsions lumineuses de départ, ces fréquences lumineuses sont liées entre elles et si l’une est modifiée, les autres le sont aussi. » C’est bien le phénomène d’intrication recherché pour les qubits.

Finalement, un autre interféromètre vient recombiner les doubles impulsions et on se retrouve avec des photons avec un double état – voilà pour la superposition du 0 et du 1. Les deux caractéristiques des qubits sont réunies.

Jamais il n’a été aussi facile d’obtenir plusieurs qubits en même temps. La force de la méthode tient également au fait qu’elle fonctionne avec les systèmes d’ordinateurs classiques. « L’ordinateur du futur sera un hybride, prédit Roberto Morandotti. Une partie classique servira à faire ce qu’elle fait de mieux, et une partie quantique servira à accomplir des tâches particulières qu’elle seule peut faire rapidement. Notre découverte permettra cette hybridation, car elle est parfaitement compatible avec l’électronique actuelle. »

Qu’il soit hybride ou seulement quantique, l’ordinateur de demain s’annonce lumineux !
 
Ont aussi participé à la découverte : Christian Reimer, Michael Kues, Piotr Roztocki, Benjamin Wetzel, Fabio Grazioso et Tudor Johnston (INRS), et des chercheurs de l’université de Sussex, de la Chinese Academy of Science, de la City University of Hong Kong, de l’université Yale, de l’Heriot-Watt University, du RMIT University, et de la University of Electronic Science and
Technology of China.

 

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