L’informatique quantique représente un tournant dans l’évolution technologique, promettant de changer radicalement la façon dont nous traitons les données complexes. Cependant, un obstacle majeur demeure : la nécessité de refroidir les qubits à des températures extrêmement basses, proches du zéro absolu. Une équipe de chercheurs a peut-être trouvé une solution à ce problème technique avec un nouveau type de réfrigérateur quantique.
Les ordinateurs quantiques nécessitent un refroidissement extrême pour effectuer des calculs fiables. Les qubits, leurs éléments fondamentaux, doivent être maintenus à des températures proches du zéro absolu pour éviter les erreurs de calcul. Ce besoin de refroidissement intense fut un obstacle majeur à l’intégration de ces machines dans la société. Des chercheurs de l’Université de technologie Chalmers en Suède et de l’Université du Maryland aux États-Unis ont conçu un réfrigérateur innovant capable de refroidir de manière autonome des qubits supraconducteurs pour enregistrer les températures.
Les avantages des ordinateurs quantiques
Les ordinateurs quantiques ont un immense potentiel pour transformer divers secteurs tels que la médecine, l’énergie, le chiffrement, l’intelligence artificielle et la logistique. Contrairement aux bits des ordinateurs classiques qui enregistrent soit 0 soit 1, les qubits peuvent représenter les deux valeurs simultanément grâce au superposition. Cette fonctionnalité permet aux ordinateurs quantiques d’effectuer des calculs en parallèle, augmentant ainsi leur puissance de traitement de manière exponentielle. Cependant, la durée pendant laquelle un ordinateur quantique peut effectuer des calculs est limitée par le temps nécessaire pour corriger les erreurs.
« Les qubits, constituants de l’ordinateur quantique, sont extrêmement sensibles à leur environnement. Même des interférences électromagnétiques très faibles peuvent modifier de manière aléatoire la valeur du qubit, entraînant des erreurs et entravant le calcul quantique. “, a expliqué Aamir Ali, spécialiste de la recherche en technologie quantique à l’Université de technologie Chalmers.
Réfrigération à des températures record
Actuellement, de nombreux ordinateurs quantiques utilisent des circuits électriques supraconducteurs pour minimiser la résistance et conserver les informations. Pour fonctionner sans erreur pendant des périodes prolongées, les qubits doivent être refroidis à environ moins 273,15 degrés Celsius, ou zéro Kelvin, la température la plus basse théoriquement possible. Les systèmes de refroidissement actuels, appelés réfrigérateurs à dilution, amènent les qubits à environ 50 millikelvins au-dessus du zéro absolu. Cependant, selon les lois de la thermodynamique, atteindre le zéro absolu est impossible par un processus fini.
Les chercheurs ont développé un nouveau type de réfrigérateur quantique qui complète les réfrigérateurs à dilution et permet de refroidir les qubits supraconducteurs à des températures encore plus basses, 22 millikelvins, de manière autonome.
« Le réfrigérateur quantique repose sur des circuits supraconducteurs et est alimenté par la chaleur de l’environnement. Il peut refroidir le qubit cible à 22 millikelvins, sans contrôle externe. Cela ouvre la voie à des calculs quantiques plus fiables et moins sujets aux erreurs. », a ajouté Aamir Ali, auteur principal de l’étude.
Comment fonctionne le réfrigérateur quantique
Le réfrigérateur utilise l’interaction entre différents qubits, notamment entre le qubit à refroidir et deux autres qubits utilisés pour le refroidissement. Un environnement chaud est créé à côté de l’un des qubits, faisant office de bain thermal chaud. Ce bain thermique transfère de l’énergie à l’un des qubits du réfrigérateur quantique, activant ainsi le système de refroidissement.
« L’énergie de l’environnement thermique, canalisée via l’un des qubits du réfrigérateur quantique, extrait la chaleur du qubit cible vers le deuxième qubit du réfrigérateur, qui est froid. Ce qubit final est ensuite refroidi par un environnement froid, où la chaleur du qubit cible est finalement dissipée. “, a déclaré Nicole Yunger Halpern, physicienne au NIST et professeure adjointe à l’Université du Maryland.
Le système fonctionne de manière autonome, sans nécessiter de contrôle externe, alimenté par la différence de température entre deux bains thermaux.
« Notre travail est probablement la première démonstration d’une machine thermique quantique autonome accomplissant une tâche utile. Initialement conçue comme une preuve de concept, nous avons été agréablement surpris par les performances de la machine, qui surpasse tous les protocoles de réinitialisation existants pour refroidir le qubit afin d’enregistrer des températures. », a conclu Simone Gasparinetti, professeur agrégé à l’Université de technologie Chalmers et co-auteur principal de l’étude.
Légende de l’illustration : Le nouveau réfrigérateur quantique – l’objet carré au centre du qubit dans l’image – est basé sur des circuits supraconducteurs et alimenté par la chaleur de l’environnement. Il peut refroidir de manière autonome les qubits à des températures extrêmement basses, ouvrant ainsi la voie à des ordinateurs quantiques plus fiables. L’appareil a été fabriqué dans le laboratoire de nanofabrication Myfab de l’Université de technologie Chalmers, en Suède. Crédit : Université de technologie Chalmers | Lovisa Håkansson
Article : ‘Un réfrigérateur quantique à entraînement thermique réinitialise de manière autonome un qubit supraconducteur’ / ( 10.1038/s41567-024-02708-5 ) – Chalmers University of Technology – Publication dans la revue Nature Physics
