Experimental Benchmarking of a 256-Qubit Room-Temperature NV-Diamond Quantum Processor with an Optically Programmable Biomolecular Quantum Bus
Cet article rend compte de l'évaluation expérimentale de Zeus-256, un processeur quantique à 256 qubits à centres NV dans le diamant fonctionnant à température ambiante et utilisant un nouveau bus quantique biomoléculaire programmable par voie optique, qui a exécuté avec succès des algorithmes complexes, notamment l'algorithme de Shor pour des entiers de 84 bits ainsi que des protocoles d'intrication de haute fidélité, bien qu'il ne démontre pas encore d'avantage quantique.
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L'informatique quantique promet de résoudre des problèmes actuellement impossibles même pour les superordinateurs les plus puissants, mais construire une machine capable de le faire est incroyablement difficile. Le défi central réside dans le maintien de la stabilité des informations quantiques délicates. Dans de nombreux systèmes, les minuscules particules utilisées pour stocker les données, appelées qubits, perdent leurs propriétés spéciales presque instantanément si elles deviennent trop chaudes ou interagissent avec leur environnement. Cela force généralement les scientifiques à refroidir leurs machines à des températures proches du zéro absolu, nécessant des systèmes de réfrigération massifs et complexes. Un autre obstacle est la connexion de ces qubits. Pour effectuer un calcul, les qubits doivent communiquer entre eux, mais dans de nombreuses conceptions, ils ne peuvent communiquer qu'avec leurs voisins immédiats. Pour transmettre l'information d'un côté à l'autre de la puce, l'ordinateur doit faire passer la donnée le long d'une longue chaîne de voisins, ce qui ralentit tout et introduit des erreurs. La question que les chercheurs se posaient était de savoir s'il est possible de construire un ordinateur quantique large et utile qui fonctionne à température ambiante et qui peut connecter n'importe quelle partie de son cerveau à n'importe quelle autre partie sans ces chaînes lentes et sujettes aux erreurs.
Une équipe de chercheurs a maintenant fait la démonstration d'un nouveau type de processeur quantique qui fonctionne à température ambiante et utilise un matériau biologique unique pour résoudre le problème de la connexion. Ils ont construit un dispositif appelé Zeus-256, qui contient 256 unités de traitement actives, ou qubits logiques, disposées en une grille. Contrairement à d'autres systèmes qui pourraient réutiliser un petit nombre de qubits au fil du temps pour simuler une machine plus grande, chacune de ces 256 unités est active et travaille simultanément. Le processeur est construit sur un petit cristal de diamant contenant des centres azote-lacune, qui sont de minuscules défauts dans la structure du diamant agissant comme des qubits. Ces défauts sont contrôlés par des micro-ondes et des ondes radio, tandis que leur état est lu à l'aide de la lumière. L'innovation la plus significative, cependant, est la manière dont les qubits communiquent entre eux. Au lieu de compter sur des fils physiques ou de déplacer les qubits, les chercheurs ont placé une couche spéciale de matériau à base de protéines sur le diamant. Cette couche agit comme un pont programmable, ou « bus quantique », qui peut être réglé avec la lumière pour connecter n'importe quels deux qubits, même ceux éloignés sur la puce. Cela permet à l'ordinateur d'effectuer des opérations complexes sans les délais habituels causés par la distance.
Les chercheurs ont testé cette machine en exécutant une grande variété d'algorithmes quantiques standards pour voir comment elle performait. Ils ont exécuté avec succès des circuits conçus pour créer des états intriqués complexes, rechercher des motifs spécifiques et effectuer des calculs mathématiques. L'un des tests les plus impressionnants impliquait un algorithme célèbre pour trouver les facteurs de grands nombres, une tâche centrale dans la cryptographie moderne. L'équipe a exécuté cet algorithme sur 11 nombres différents, allant de petits entiers de 8 bits jusqu'à un nombre massif de 84 bits. Pour le plus grand nombre, qui nécessitait que les 256 qubits travaillent ensemble, la machine a enregistré un indicateur de « récupération de facteur » pour l'instance après 10 tentatives. Cependant, l'étude ne divulgue pas les diviseurs spécifiques trouvés, le nombre de succès pour chaque tentative individuelle, ni la probabilité de succès par tentative. L'ensemble du processus pour ce calcul difficile a pris un peu plus d'une demi-seconde. Dans un autre test, la machine a créé un type spécifique d'état hautement intriqué impliquant les 256 qubits à la fois. Lorsque nous avons mesuré la qualité de cet état, nous avons constaté qu'il correspondait à la cible théorique idéale avec une fidélité de près de 99,9 %, indiquant que l'information quantique est restée remarquablement stable malgré l'environnement à température ambiante.
L'étude a également mesuré le temps que la machine a mis pour accomplir ces tâches. Les chercheurs ont constaté que le temps nécessaire pour exécuter un programme dépendait beaucoup plus de la complexité des instructions et de la structure spécifique du calcul que du nombre pur de qubits utilisés. Par exemple, certains calculs utilisant moins de qubits prenaient beaucoup plus de temps que d'autres utilisant plus de qubits, simplement parce que les instructions étaient plus complexes. Cela suggère que la vitesse du processeur est déterminée par la manière dont le logiciel est traduit en impulsions physiques contrôlant le diamant, plutôt que par la seule taille du registre. L'équipe a également vérifié que la machine se comportait réellement de manière quantique en mesurant les corrélations entre des paires de qubits. Les résultats ont montré un niveau de connexion impossible à atteindre avec la physique classique, confirmant que le dispositif fonctionnait comme un véritable système quantique.
Bien que la machine soit une étape importante, les chercheurs précisent avec prudence ce qu'elle a et n'a pas encore accompli. Ils déclarent explicitement que ce travail ne prouve pas encore que la machine peut résoudre des problèmes plus rapidement que les meilleurs ordinateurs classiques, un jalon connu sous le nom d'avantage quantique. Les données temporelles fournies sont une mesure de la vitesse d'exécution interne du processeur et n'incluent pas le temps nécessaire à l'ordinateur pour traduire le code de l'utilisateur ou pour que la lumière soit collectée et analysée. Le dispositif de 256 qubits est la version la plus grande qu'ils aient construite et testée jusqu'à présent. Ils décrivent un objectif d'ingénierie futur consistant à porter cette même conception à près de 10 000 qubits, mais ils précisent que cette version plus large n'a pas encore été construite. Le succès actuel repose sur un matériau biologique propriétaire qui sert de couche de connexion, dont la composition chimique exacte n'est pas divulguée. Cependant, le fait qu'une machine utilisant cette approche puisse coordonner 256 qubits à température ambiante et effectuer des interactions complexes à longue portée suggère une voie viable vers des ordinateurs quantiques plus larges et plus pratiques qui ne nécessitent pas de refroidissement extrême. Le travail démontre que la combinaison de qubits basés sur le diamant, de mémoire de spin nucléaire et d'un pont biologique contrôlé par la lumière peut créer un processeur quantique fonctionnel à température ambiante capable de gérer des tâches de calcul substantielles.
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