Supercalculateur quantique: le choix de la supraconductivité

15/11/2013
Auteurs :
Publication eREE
OAI : oai:www.see.asso.fr:14389:5293
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Résumé

Supercalculateur quantique: le choix de la supraconductivité

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	    <date dateType="Created">Fri 15 Nov 2013</date>
	    <date dateType="Updated">Mon 25 Jul 2016</date>
            <date dateType="Submitted">Tue 20 Feb 2018</date>
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    12 mars 2012     Supercalculateur quantique: le choix de la supraconductivité  Gérard Kantorowicz  Jean‐Pierre Hauet  Membre émérite de la SEE    Le record des supercalculateurs ‐ 10,51 pétaflops  – est établi par le K japonais, consacré premier en  novembre 2011 au TOP500, détrônant le chinois  Tianhe‐1A, (186 368 cœurs). Conçu par Fujitsu, il  comporte 88 128 processeurs de 8 cœurs (soit un  total de 705 024 cœurs).   Valeurs à comparer au  supercalculateur  CURIE du CEA (2 pétaflops – 80  640 cœurs), qui vient d'être reconnu bon pour le  service.    Cette  course  au  nombre  toujours  plus  grand  de  processeurs  se  déroule  dans  l'attente  des  progrès  de  l'ordinateur  quantique,  entre  autres.  IBM  qui  explore  la  voie  quantique  avec  la  supraconductivité,  a  annoncé  avoir  battu  avec  celle‐ci  plusieurs  records,  dont  le  temps  de  décohérence le plus long observé à ce jour. Une  jonction  Josephson  suspendue  dans  une  cavité  microonde, qualifiée de 3D, a permis de réaliser  un temps de résistance à la décohérence de 100  microsecondes,  améliorant,  selon  IBM,  de  2  à  4  fois des résultats antérieurs.       Un  autre  dispositif  IBM  supraconducteur  2D  sur  une  puce  silicium,  (image  ci‐contre  et  3  qubits),   réalise  une  opération  logique  sur  2  qubits,  dite  Controlled  Not  (C‐Not)  qui  est  l’un  des  blocs  de  base de tout système de calcul quantique.  L'opération présente un taux de réussite de 95%,  en  partie  lié  au  temps  de  cohérence  de  10  microsecondes.        Ces valeurs sont dans la ligne du minimum exigé   par  de  futures  expériences  sur  les  multi‐qubits.  Elles  permettent  d'envisager  le  passage  à  une  nouvelle étape de développement, en s'attaquant  aux problèmes liés à l'intégration.    Sur le plan des principes, on rappelle que les bits  d'informations  des  ordinateurs  actuels  sont  des  nombres binaires, qui ne prennent qu'une valeur  : (0) ou (1),  connue et mesurable. Un qubit est  une superposition probabiliste de deux états  0   et  1 , dans des proportions α et β : . 0 . 1    , formule dans laquelle  α et β sont deux nombres  complexes tels que :  2 2 1   .    Il  n’est pas possible de connaître α ou β, car une  mesure  lève  l’incertitude  et  conduit,  par  « effondrement de la fonction d’onde », soit à 0  soit à 1, c'est‐à‐dire au binôme (0,1) ou (1,0), ce  qui ne donne aucune information sur l’état initial  (α,  β).  Il  est  par  contre  possible  de  transporter  l’état  quantique  d’un  qubit  sur  un  autre,  sans  toutefois  le  connaître  (c’est  ce  qu’on  appelle  la  téléportation  quantique).  Deux  qubits  peuvent  être  intriqués,  c'est‐à‐dire  être  dans  un  état  quantique  qui  ne  peut  être  décrit  que  globalement, sans pouvoir distinguer  un état  de  l'autre, même s’ils sont spatialement séparés.    La  décohérence  correspond  au  passage  d’un  système quantique de l’état d’incertitude à l’état  observable,  caractéristique  de  l’état  macroscopique.  Elle  s’explique  par  le  fait  qu’un  système  n’est  jamais  totalement  isolé  mais  interagit  avec  son  environnement  (thermiquement  notamment)  ce  qui  provoque  l’effondrement  de  la  fonction  d’onde  et  la  stabilisation  dans  un  état  déterministe.   Pour en savoir plus sur les qubits, lire l’article invité du Dr. Yury MUKHARSKY « Les Qubits et le calcul  Quantique » dans la REE N°10 de novembre 2004.  Dans les ordinateurs quantiques, on utilise le fait  qu’un  qubit  est  composé  de  deux  états :  0   et 1 , dans des proportions, α et β, mais que deux  qubits  intriqués  vont  être  la  superposition  de  quatre  états :  . 00 . 01 . 10 . 11      ,  dans  des  proportions  α,  β,  γ,  δ  tels  que  2 2 2 2 1       .     α,  β,  γ,  δ  sont  des  nombres  complexes  (correspondant,  à  un  instant  donné,  à  un  ensemble  de  8  valeurs  réelles)  que  l’ordinateur  quantique  va  pouvoir  transformer  simultanément, tant que la décohérence n’est pas  intervenue.  Ces transformations se font par des  opérateurs  particuliers,  qui  doivent  respecter  le  fait  que  la  somme  quadratique  des  vecteurs  d’état doit rester égale à 1.     Un  ensemble  de  n  qubits  correspondrait  à  2n   états possibles, manipulables simultanément. Des  calculs  en  parallèle  de  grande  puissance  et  de  grande  rapidité  donc  sont  possibles  avec  des  algorithmes  fondés  sur  des  opérateurs  appropriés.     Une porte logique de base est précisément le C‐ Not  qui  met  en  jeu  deux  qubits,  un  qubit  de  contrôle  et  qubit  cible.  L’ensemble    peut  être  représenté, dans le repère orthonormé des états,  00 , 01 , 10 et 11 par  un  vecteur  à  quatre  dimensions.   Si le qubit de contrôle est dans l’état 0 , le  vecteur s’écrit :  0 0     Si le qubit de contrôle est dans l’état 1 ,   il s’écrit :             0 0       Si l’on considère l’opérateur  1 0 0 0 0 1 0 0 C Not 0 0 0 1 0 0 1 0   on  vérifie  aisément  que  cet  opérateur  laisse  inchangé  le  second  qubit  si  le  premier  est  dans  l’état 0 ,  mais  le  fait  « flipper »  s’il  est  dans  l’état 1 .   On a en effet :   0 0   =  1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 x 0 0    et 0 0   =  1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 x 0 0     La  théorie  des  ordinateurs  quantiques  est  très  avancée. Les bases en ont été posées par Richard  Feynman. Des algorithmes ont été proposés pour  réaliser  des  calculs  combinatoires  qui  seraient  hors de portée d’un ordinateur classique. Mais la  difficulté  principale  réside  dans  la  réalisation  physique  d’un  ensemble  de  qubits  intriqués  présentant un temps de cohérence suffisamment  long. Le système doit en  effet rester totalement  isolé  du  monde  extérieur  pendant  sa  phase  de  calcul (calcul adiabatique) de façon à ne pas subir  d’interférences qui entraineraient sa décohérence  avant que le calcul ne soit achevé. A la fin de la  phase    de  calcul,  la  mesure  détruit  l’état  quantique et donne la réponse, réputée correcte  si l’intrication a été préservée pendant le calcul,  mais en probabilité seulement. La répétition de la  même  opération  par  un  algorithme  approprié  permet de s’assurer de la validité du résultat.    Des ordinateurs quantiques ont déjà été réalisés,  mais  leur  puissance  reste  encore  faible.  La  puissance potentielle des ordinateurs quantiques  dépend des propriétés de parallélisme présentes  dans  l'état  d'intrication  quantique  et  la  décohérence  représente  l'obstacle  majeur:  le  retour  vers  l'état  classique,  une  perte  d'information  et  un  risque  d'erreur  dans  les  calculs.  Lorsque  le  temps  de  décohérence  sera  suffisamment  long  pour  un  nombre  de  qubits  assez  grand,  débutera  une  nouvelle  époque  technologique.    Une preuve de l'intérêt suscité est fournie par le  grand  nombre  (environ  180)  de  présentations  dans  ce  domaine  lors  de  la  récente  Conférence  2012 de l'APS (American Physical Society), et ces  contributions  d'IBM.  Pour  IBM  un  système  de  calcul quantique devra intimement assembler un  système classique et un système quantique. Des  expertises en procédés de communication et en  techniques d'assemblage devraient permettre de  dépasser les niveaux des calculateurs actuels.