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Nanotechnologie

Des atomes qui calculent

Des physiciens brésiliens entrent dans la course mondiale à la recherche de l’ordinateur quantique

Pyramides d’atomes de germanium, comparables aux transistors des ordinateurs actuels: alternative pour contrôler la rotation de l’électron et le stockage de l’information (image au microscope électronique)

GILBERTO MEDEIROS RIBEIRO/LNLS Pyramides d’atomes de germanium, comparables aux transistors des ordinateurs actuels: alternative pour contrôler la rotation de l’électron et le stockage de l’information (image au microscope électronique)GILBERTO MEDEIROS RIBEIRO/LNLS

Publié en avril 2003

Un nouveau type d’ordinateur capable de réaliser en quelques minutes des calculs que les ordinateurs actuels mettraient des milliards d’années à réaliser est en cours d’élaboration, du moins en théorie. Il s’agit de l’ordinateur quantique, appelé ainsi car il fonctionne d’une manière totalement différente des ordinateurs classiques et il obéit aux lois de la mécanique quantique, domaine de la physique qui étudie les phénomènes qui se produisent dans le monde des atomes et qui échappe souvent à l’entendement commun. Bien que personne ne sache encore à quoi ressemblera cet ordinateur, il sera probablement muni d’un écran, d’un clavier, d’une souris et possèdera les équipements actuels. La transformation la plus notable concernera le microprocesseur qui, au lieu d’être équipé de circuits intégrés de silicium comprenant des millions de transistors, ne possèdera que quelques dizaines d’atomes.

L’intérêt initial de la recherche en matière d’ordinateur quantique était purement académique. En effet, les physiciens voulaient seulement vérifier s’il était possible de réaliser des opérations logiques en se basant sur les propriétés des atomes et démontrer ainsi les prévisions de la mécanique quantique. Mais la capacité de calcul de ces ordinateurs (théoriquement infinie car elle double pour chaque atome ajouté au microprocesseur) a ouvert de nouvelles perspectives dans certaines applications stratégiques. L’ordinateur quantique pourrait déchiffrer les codes de sécurité qui protègent les transactions bancaires et même les systèmes de défense nationaux. C’est pour faire face à ce type de désastre que le Département de Défense Américain finance des études pour mettre au point ce type d’équipement. Aujourd’hui les recherches visant à découvrir les propriétés intrinsèques d’atomes et de molécules ne se limitent pas aux Universités. Des géants de l’informatique comme IBM, Microsoft et Hewlett-Packard, investissent énormément dans la recherche, attentifs au marché des microprocesseurs et des mémoires qui brasse chaque année 100 milliards de dollars.

Il faudra attendre des décennies avant qu’un ordinateur fonctionnant sur la base des propriétés des particules atomiques ne soit commercialisé. Le stade actuel de développement de l’informatique quantique est comparable à celui du choix du matériel devant être utilisé pour construire les fondations d’un édifice. Les physiciens tentent de découvrir l’alternative la plus viable qui servira de base à l’ordinateur quantique, comme par exemple des atomes emprisonnés dans des pièges magnétiques, des noyaux atomiques soumis à des champs magnétiques, des électrons emprisonnés dans de petites pyramides (points quantiques) ou même des corpuscules de lumière (photons). Nous en sommes à un stade comparable aux débuts de l’informatique dans les années 50, quand les transistors ont remplacé les valves électroniques.

Bien qu’il soit probable que le premier ordinateur quantique sorte d’un laboratoire américain, en fonction des énormes investissements dont bénéficient les chercheurs dans ce pays, le Brésil est toujours dans la course. En effet, les contributions brésiliennes ont toujours été importantes dans ce domaine. Au début des années 80, et avant même qu’on ne parle d’ordinateurs quantiques, Amir Caldeira de l’Université Publique de Campinas (Unicamp), révélait déjà que certains systèmes quantiques à l’échelle atomique (ou même se comportant comme des atomes géants) perdaient de l’énergie au profit de l’environnement qui les entoure. Ce phénomène, appelé dissipation quantique, est associé à un autre phénomène appelé décohérence, qui provoque un effet indésirable: la perte de l’information quantique avant qu’elle ne puisse être interprétée.

Des physiciens de Minas Gérais et de Rio étudient actuellement un troisième type d’ordinateur, appelé semi-quantique, qui réunit les caractéristiques du classique et du quantique et qui permettrait de surmonter certaines difficultés techniques. “Nous pensons qu’il sera plus rapide que l’ordinateur classique et plus lent que le quantique”, déclare Carlos Monken, physicien à l’Université Fédérale de Minas Gérais (UFMG) et coordinateur de l’équipe.

Les recherches se sont énormément développées dans le pays grâce à la création de l’Institut du Millénaire de l’Information Quantique en 2001. Cet institut, sous la tutelle du Ministère des Sciences et de la Technologie, bénéficie d’un budget annuel de 5,2 millions de R$ et réunit des équipes de Rio de Janeiro, d’Alagoas, de Minas Gérais, de São Paulo et de Pernambouc. Les recherches coordonnées par Luiz Davidovich, membre de l’Université Fédérale de Rio de Janeiro (UFRJ), étudient les propriétés des atomes et des photons emprisonnés dans des cavités formées par des miroirs, produits de manière confuse et reliés par un type de propriété télépathique: tout ce qui produit avec une particule affecte l’autre.

En se basant sur des particules jumelles, l’équipe de l’UFRJ propose la première expérience de transfert de l’état d’une particule vers une autre plus éloignée, appelé télétransport quantique et popularisé par le feuilleton de sciences fiction Star Strek. Dans un article publié en 2001 dans le revue Physical Review Letters et également cité dans la revue Nature, les physiciens de Rio de Janeiro ont démontré qu’il était possible de protéger l’état quantique d’un atome de la décohérence à l’aide d’un piège magnétique, comme cela avait déjà été envisagé pour certains prototypes d’ordinateurs quantiques.

Le secret concernant la mise au point de ce type d’ordinateur réside dans la manière de manipuler l’unité d’information ou octet. Dans un ordinateur classique, les octets sont enregistrés par des transistors, minuscules dispositifs d’un circuit électronique qui laissent passer ou non un signal électrique et qui intègrent le microprocesseur et les puces de mémoire. Quand l’ordinateur classique exécute une commande, il associe une des deux valeurs à chaque octet: 0 ou 1. Comme chaque transistor interprète un seul octet à la fois et que le nombre de transistors dans une puce est limité (par exemple, un microprocesseur Pentium 4 possède 40 millions de transistors), la capacité de calcul des ordinateurs actuels est limitée, déclare Iuri Pêpe du Laboratoire de Propriétés Optiques de l’Université Fédérale de Bahia (UFBA).

Dans le monde des particules atomiques (environ cent mille fois plus petites qu’un transistor), il ne s’agit plus d’une relation d’exclusion entre les octets mais d’une superposition. Aussi étrange que cela puisse paraître, au lieu d’assumer une valeur ou une autre (0 ou 1), l’octet quantique ou qubit (terme anglais) peut représenter en même temps toutes les valeurs infinies comprises entre 0 et 1, y compris 0 et 1. C’est une propriété des particules atomiques connue sous le nom de superposition d’états quantiques, et qui devra régir le fonctionnement des nouvelles machines.

C’est cette superposition d’états qui permet à chaque qubit de manipuler simultanément des informations infinies, comme s’il s’agissait d’innombrables ordinateurs classiques travaillant en même temps sur un même calcul. Les possibilités offertes garantissent une supériorité inégalable à l’ordinateur quantique. Du moins en théorie, car la superposition d’états crée une difficulté. Il s’agit du principe de l’incertitude (autre règle de la mécanique quantique) selon lequel il est impossible de connaître en même temps la position et la vitesse d’une particule. Il est alors impossible de définir les valeurs que les qubits peuvent avoir en une seule fois lors d’un calcul quelconque. La théorie indique que l’ordinateur devra se comporter de manière quantique quand il devra traiter l’information et de manière classique quand il devra fournir le résultat des opérations. Y aura t-il un avantage de construire un ordinateur de ce type?

La réponse est positive si l’on sait tirer profit de la superposition des états quantiques qui permettra aux physiciens d’obtenir des résultats spécifiques. Par exemple, il y a au moins deux manières de savoir combien de personnes dans un groupe de dix aiment la glace au chocolat. Dans les deux cas, chaque personne interrogée ne peut répondre que par oui ou par non. La première manière adoptée par l’ordinateur actuel est d’interroger chaque personne. Il faut ensuite ajouter les réponses afin d’obtenir un résultat final, pour un total de 11 opérations consécutives (dix questions plus le comptage final). L’ordinateur quantique parvient à répondre en une seule opération, du moment que l’on ne désire pas connaître les réponses individuelles mais le pourcentage de personnes qui répondrait oui à la question. “Le secret est d’interroger l’ordinateur différemment, d’une manière plus intelligente”, déclare le physicien Reinaldo Oliveira Vianna, de l’UFMG.

Rangées d’atomes: base possible pour l’ordinateur quantique

Eduardo Cesar Rangées d’atomes: base possible pour l’ordinateur quantiqueEduardo Cesar

Prototypes
De nos jours, les prototypes se rapprochant le plus d’un ordinateur quantique se trouvent dans les laboratoires de physique expérimentale d’universités nord-américaines, européennes et même brésiliennes, comme à l’UFMG, à l’UFRJ et à l’Université de São Paulo (USP). Cependant, les équipements construits ne sont encore que des prototypes primitifs qui ne réalisent que des opérations très simples comme le calcul des diviseurs du chiffre 15 ou des recherches dans une banque de données ne contenant que 8 éléments. Mais ce n’est qu’un début, bien entendu. “Il n’y a aucun obstacle physique au développement de l’informatique quantique à grande échelle ”, garantit Ivan Oliveira, chercheur au Centre Brésilien de Recherches Physiques (CBPF) à Rio. “L’ordinateur sera construit. C’est une question de temps et d’investissements.” Avec la collaboration de physiciens de l’USP et de l’Université Fédérale d’Espírito Santo (UFES), Oliveira utilise la résonance magnétique nucléaire, la même technique utilisée pour produire des images du corps humain, pour réaliser des opérations logiques de base (additions, divisions et multiplications) avec des noyaux atomiques.

Les propres physiciens ne croyaient pas que l’on pourrait un jours utiliser des atomes et des molécules pour traiter l’information. En émettant cette hypothèse en 1959, l’américain Richard Feynman (1918-1988, Prix Nobel en 1965) a été accueilli avec scepticisme par ses collègues. Cette incrédulité s’est effacée en 1973 quand le chimiste Charles Bennett, d’IBM, a démontré qu’il était possible de réaliser des opérations logiques réversibles, précisément l’opposé de ce qui se produit avec les ordinateurs actuels, dans lesquels les octets utilisés pour un calcul déterminé se défont. Pratiquement dix ans plus tard, Paul Benioff, du Laboratoire National Argonne aux États-Unis, a proposé le premier modèle d’ordinateur quantique capable d’exécuter ces opérations réversibles.

Ce n’est qu’en 1994 que ce sujet a revêtu une importance stratégique, quand Peter Shor, chercheur à l’AT&T, a présenté un type de calcul qui permettrait à un ordinateur quantique de dévoiler les combinaisons de nombres composés de milliers de chiffres en moins d’étapes et plus rapidement qu’un ordinateur classique (le chiffre 15, par exemple, peut se décomposer en 3 et 5). Ces combinaisons de chiffres sont la base des systèmes de protection de données adoptés par les banques brésiliennes qui brassent de 2,5 à 6 billions par mois lors de 50 à 80 mille transactions codifiées. “Un ordinateur quantique peut possiblement déchiffrer ces codes en un jour et non pas en un an.”, déclare Maurício Ghetler, directeur technologique de la Banque Santos. “Mais il y aura d’autres alternatives, car quand cet équipement sera disponible, le système financier utilisera d’autres types de protection.”

Plus tard le physicien Lov Grover des laboratoires Bell, a proposé une méthode mathématique qui permettrait à l’ordinateur quantique d’effectuer des recherches dans une banque de données, ces recherches devenant de plus en plus efficaces à mesure que cette banque de données s’enrichit. Alors qu’un ordinateur classique doit en moyenne réaliser deux opérations pour effectuer une recherche dans une banque de données de quatre fiches, cette méthode de calcul, connue sous le nom d’algorithme de Grover, permet à l’ordinateur quantique de réaliser cette opération en une seule étape. Pour consulter un fichier contenant 16 fiches, un ordinateur classique ferait en moyenne huit recherches et le quantique quatre.

Les découvertes de Shor et de Grover ont encouragé les études dans ce domaine et le nombre de publications s’est accru, y compris dans les revues scientifiques de portée plus générale. C’est par exemple dans la revue Nature que Daniel Gottesman du laboratoire National Los Alamos et Isaac Chuang d’IBM, ont démontré que l’autre propriété de la mécanique quantique appelée télétransport, permettrait de créer un ordinateur quantique en utilisant les moyens technologiques actuels. Chuang avait déjà révélé qu’il serait possible de manipuler l’alignement de noyaux atomiques par rapport à un champ magnétique. Comme l’aiguille d’une boussole, certains noyaux atomiques sont magnétiques et il suffirait de les contrôler au moyen de la résonance magnétique nucléaire. Au mois de janvier de cette année, Chuang a révélé une autre méthode de calcul dans la revue Nature, qui permet de savoir si une pièce de monnaie est vraie (un côté face et un côté pile) ou fausse (deux faces ou deux piles), en regardant uniquement un seul côté. Toute personne se doit d’observer les deux côtés de la pièce de monnaie avant de donner une réponse correcte.

La question qui incommode encore les chercheurs est de savoir si le traitement des données serait réellement plus rapide avec un ordinateur quantique qu’avec un ordinateur classique. Pour le savoir, il faudrait créer un équipement d’une dizaine de qubits qui se rapprocherait d’un prototype réel d’ordinateur quantique. Il n’est pas nécessaire qu’il soit très grand. Un ordinateur de ce type, d’environ 300 qubits, serait capable de manipuler davantage d’états quantiques que le nombre d’atomes de l’Univers, l’équivalent du chiffre 1 suivi de 80 zéros.

Pour Reinaldo Oliveira Vianna de l’FMG, les expériences menées jusqu’à ce jour sur près de 7 qubits ne sont pas suffisantes pour démontrer que la méthode de calcul quantique est plus rapide “La préparation de ces données en qubits peut être longue, car il est difficile de produire des centaines de qubits”, déclare le physicien. “Nous ne pourrons démontrer qu’un ordinateur quantique est réellement plus rapide que quand nous en construirons un.”

QuânticaVersion Minas Gerais
Comme la barrière d’une dizaine de qubits n’a toujours pas été franchie, Vianna, Carlos Monken, Sebastião Pádua, de l’UFMG, et Paulo Henrique Souto Ribeiro, de l’UFRJ, tous liés à l’institut du Millénaire, envisagent une option qui semblerait plus simple. Il s’agit de l’ordinateur semi-quantique, inspiré par un modèle proposé par Jeffrey Yepez du Laboratoire de Recherche de l’Armée Américaine. Cet équipement hybride traite l’information de manière quantique en utilisant des photons et stocke les résultats dans une puce de mémoire classique. Cet équipement serait plus rapide qu’un ordinateur classique car il lui faudrait moins de qubits pour traiter une même quantité d’information, comme le démontrent les calculs réalisés par l’équipe de Minas Gérais.

L’équipe de Monken a également bien avancé en ce qui concerne le stockage d’informations dans un ordinateur quantique. Normalement l’unité d’information est liée au sens de la vibration (polarisation) des photons, corpuscules de lumière qui se comportent comme des ondes électromagnétiques vibrant dans l’espace, comme des cordes que l’on secoue. L’équipe de l’UFMG a découvert une autre caractéristique liée à la polarisation de la lumière horizontale ou verticale qui est la forme spatiale du photon. En faisant passer un corpuscule de lumière à travers un cristal spécial, les physiciens ont réussi à le diviser en deux parties qui se propagent parallèlement, alignées à l’horizontale ou à la verticale. Ils ont ainsi codifiés deux qubits en un seul photon: un dans la direction de la polarisation et l’autre dans l’alignement spatial, conformément à ce qui est décrit dans l’article qui sera publié dans la revue Review Letters.

L’équipe de Tito Bonagamba de l’Institut de Physique de l’USP à São Carlos, recherche une solution pour résoudre cette perte d’information quantique (décohérence) pendant le traitement des données utilisant la résonance magnétique nucléaire. Durant des expériences menées avec du cristal liquide, avec la collaboration d’Ivan Oliveira, Roberto Sarthour, Alberto Passos Guimarães Filho, du CBPF et Jair Checon de Freitas de l’ UFES, Bonagamba a décrit avec précision le temps de décohérence de l’information quantique: un qubit est capable de stocker l’information pendant 15 millièmes de seconde. L’équipe développe actuellement de nouveaux procédés visant à accélérer les expériences ou à conserver l’information plus longtemps afin de réaliser des calculs plus complexes.

Antonio Vidiella-Barranco et José Antonio Roversi, de l’Unicamp, travaillent différemment. Ils manipulent l’information avec des photons et des ions (atomes chargés électriquement) emprisonnés dans des cavités constituées de par des miroirs. Dans la revue Physics Letters du mois de juillet 2001, ils ont révélé qu’il était possible de réaliser des opérations logiques grâce à ce système. “Nous avons proposé une théorie alternative à l’aide d’un système plus robuste de stockage d’informations (la vibration d’ions) lié à la lumière qui est excellente pour transmettre des données”, déclare Barranco. Dans un autre travail, ils ont indiqué qu’il était possible de récupérer l’information originale même après la décohérence. En effet, ils ont mis au point une méthode dans laquelle les opérations se déroulent comme si le temps était suspendu en projetant un faisceau de lumière sur un autre emprisonné dans une cavité.

Pyramides
En raison des difficultés rencontrées pour contrôler la cohérence d’un nombre suffisant de qubits nécessaires au fonctionnement d’un ordinateur quantique utilisant des photons ou la résonance magnétique, certains physiciens pensent que l’alternative la plus prometteuse est la méthode des ions emprisonnés. Gilberto Medeiros Ribeiro, du Laboratoire National de Luz Síncrotron (LNLS) à Campinas, n’est pas d’accord. D’après lui, la structure finale d’un microprocesseur quantique ressemblerait à un type de semi-conducteur, comme dans les ordinateurs classiques. “L’ordinateur actuel a commencé avec des valves et a ensuite migré vers les semi-conducteurs”, déclare Ribeiro qui construit des structures cent fois plus petites que les transistors. Il s’agit des points quantiques, pyramides de 20 nanomètres de largeur et de 3 nanomètres de hauteur, le nanomètre étant la millionième partie du millimètre. Un électron est emprisonné dans ces points quantiques afin de contrôler son sens de rotation et réaliser ainsi des opérations logiques.

Ribeiro a déjà démontré qu’il était possible de contrôler le nombre d’électrons emprisonnés dans les points quantiques d’arséniate d’Inde, un matériel semi-conducteur qui forme des îlots sur l’arséniate de gallium. Dans un article qui sera publié dans la revue Physical Review Letters, il révèle comment prévoir la dispersion et la taille des points quantiques dans un autre matériel conducteur, le germanium déposé sur le silicium. A l’heure actuelle, Ribeiro et Harry Westfahl de l’LNLS ainsi qu’Amir Caldeira de l’Unicamp, étudient ensemble le temps de décohérence de l’information stockée dans le spin d’électrons dans les points quantiques grâce au soutien de l’entreprise Hewlett-Packard au Brésil. Construire un ordinateur quantique ne sera pas facile, mais ce que nous allons apprendre durant nos recherches compensera les efforts entrepris.

Les projets
1. Développement d’algorithmes quantiques; Coordinateur Carlos Henrique Monken – UFMG; Investissement 631.245,00 réaux (cnpq/MCT)
2. Informatique Quantique par Résonance Magnétique Nucléaire; Coordinateur Alberto Guimarães Passos Filho – CBPF et Ivan dos Santos Oliveira Júnior – CBPF; Investissement 7.200,00 réaux et 7.200,00 réaux (cnpq/MCT)
3. Institut d’Information Quantique; Coordinateur Luiz Davidovich – UFRJ; Investissement 2.144.000,00 réaux (cnpq/MCT)
4. Méthodes Non Perturbatrices dans des Systèmes Electroniques Corrélés; Coordinateur Amir Ordacgi Caldeira – Unicamp; Investissement 80.657,74 réaux (FAPESP)
5. Matériaux nanostructurés Recherches par Microscopie A Effet Tunnel et Force Atomique; Coordinateur Gilberto Medeiros Ribeiro – LNLS; Investissement 501.136,62 réaux (FAPESP)
6. Etude de la Dynamique Lente en Polymères par le RMN; Coordinateur Tito José Bonagamba – IFSC/USP; Investissement 93.704,14 réaux (FAPESP)

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