À quoi ressembleront les composants d'un ordinateur quantique ?

Je me souviens, il y a plus d'une décennie, lorsque j'étais à l'université et que j'entendais parler des ordinateurs quantiques dans mes cours de physique de niveau supérieur. À l'époque, il m'était déjà difficile de comprendre les concepts de base et pour le professeur de les expliquer. Aujourd'hui, les ordinateurs quantiques sont devenus une réalité, et la mission est désormais de les faire évoluer technologiquement. Si vous êtes un développeur d'algorithmes quantiques, vous pouvez même louer du temps sur un ordinateur quantique via le cloud et exécuter vos propres applications quantiques.

Peu de gens ont vu l'intérieur d'un ordinateur quantique jusqu'à probablement ces deux dernières années, lorsque de nombreux géants technologiques ont commencé à publier certains détails de leurs systèmes. Maintenant que nous avons eu le privilège de voir certains des détails les plus fins qui entrent dans la construction des systèmes quantiques, il devient plus facile de voir à quoi ressemblent certains des composants principaux d'un ordinateur quantique, ainsi que les fonctions qu'ils exécutent. Mis à part les structures utilisées dans les processeurs de qubits, les composants d'un ordinateur quantique ont beaucoup de ressemblances avec leurs homologues classiques.

À l'heure actuelle, la partie la plus importante d'un ordinateur quantique (le processeur de qubits) est entièrement personnalisée, mais il existe une multitude d'autres sous-systèmes qui permettent à un ordinateur quantique de fonctionner. Les concepteurs de PCB peuvent jouer un rôle plus important qu'ils ne le pensent pour aider à commercialiser ces systèmes. Sans entrer trop dans les détails de ce qu'est un ordinateur quantique, je ferai de mon mieux pour expliquer les rôles joués par les différents composants d'un ordinateur quantique.

Qu'est-ce qui rend un ordinateur "Quantique" ?

Tous les ordinateurs quantiques utilisent des bits quantiques, ou qubits, pour traiter l'information. L'explication populaire pour un ordinateur quantique est qu'il tire parti du fait qu'un qubit peut exister comme une superposition (ou combinaison) d'états d'information, ce qui est interprété comme les qubits dans le processeur d'un ordinateur quantique étant dans un mélange d'états 0 et 1 simultanément. La vue philosophique alternative de la mécanique quantique (ou l'interprétation des "plusieurs mondes") soutient que les ordinateurs quantiques sont des machines intrinsèquement parallélisées, avec des copies d'un ordinateur quantique exécutant plusieurs calculs en parallèle dans des univers parallèles !

Quelle que soit l'image physique qui vous aide le mieux à comprendre le comportement des qubits, les qubits eux-mêmes ne sont que la moitié de l'histoire. L'autre moitié repose sur l'utilisation de l'enchevêtrement, un phénomène qui déconcerte encore les physiciens. Einstein l'a décrit comme une "action fantôme à distance" car elle permet aux qubits d'être inscrits dans le même état quantique, même lorsqu'ils sont séparés par de très longues distances. Cela soulève des questions comme la communication plus rapide que la lumière et a même engendré des applications comme le radar quantique.

Ce que fait un ordinateur quantique

Un ordinateur quantique est conçu pour manipuler et lire les qubits, qui peuvent être enchevêtrés avec d'autres qubits, ou qui peuvent être dans une superposition de 0 et de 1. Cela repose sur un certain nombre de composants et de sous-systèmes importants. Bien qu'un ordinateur quantique utilise des qubits, les sous-systèmes de support qui le font fonctionner comme prévu sont tous des composants classiques, jusqu'aux passifs utilisés dans les cartes de circuits imprimés.

Voici ce qui est nécessaire pour assurer le fonctionnement d'un ordinateur quantique comme prévu :

Isolation de l'environnement vs. Intégration

Le processeur quantique, et les qubits qu'il contient, doivent être fortement isolés de l'environnement. Lorsqu'un qubit interagit avec l'environnement environnant (en absorbant de la lumière ou de la chaleur), l'état actuel d'un qubit peut être perdu, créant une erreur. Assurer l'isolation implique l'utilisation de systèmes à vide poussé et de réfrigération pour empêcher un qubit de subir une décohérence.

C'est là qu'un certain nombre de composants et de systèmes sont nécessaires pour assurer l'isolation :

• Pompes à vide ultra-hautes

• Systèmes de réfrigération par dilution

• Systèmes de thermostat à basse température

• Blindage électromagnétique

• Tuyauterie pour le réfrigérant à l'hélium liquide et à l'azote liquide

Contrôler ces systèmes nécessite un processeur classique pour lire les mesures de vide et de température et ajuster la puissance du vide et la température. Cela ne nécessite pas une puissance de calcul classique massive. Un MPU typique ou un FPGA contient suffisamment de puissance de traitement pour exécuter ces systèmes de contrôle et assurer l'isolation, ainsi que pour livrer des données à une application exécutée sur un ordinateur classique. Continuez à dézoomer, et il peut y avoir des équipements de réseau et d'autres systèmes autour de la colonne principale dans un ordinateur quantique qui lui permettent d'interfacer avec d'autres systèmes via le cloud. L'exigence d'isolation a été une épée à double tranchant pour tout cela jusqu'à tout récemment.

À la fin de février 2022, il a été annoncé que des chercheurs de l'Institut National des Standards et de la Technologie (NIST) des États-Unis ont construit et testé un système qui permet aux composants commerciaux sur des cartes de circuit standard de fonctionner à proximité immédiate avec des dispositifs ultra-froids utilisés dans les ordinateurs quantiques. Le défi de l'intégration au niveau de la carte de circuit est la chaleur générée par l'électronique conventionnelle qui peut causer une décohérence d'un qubit, ce qui détruit l'état quantique et crée une erreur. C'est juste un pas vers l'intégration des composants quantiques et classiques au niveau du système.

Une autre avancée récente concerne l'intégration au niveau de la puce. Au début de février, des chercheurs de l'École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) et du Laboratoire Cambridge de Hitachi ont conçu un circuit intégré CMOS de 40 nm avec des points quantiques en silicium et des circuits de lecture multiplexés dans le domaine temporel conventionnels sur le même die. Bien que n'étant pas un processeur à usage général, le résultat illustre la possibilité de construire des composants informatiques quantiques à grande échelle avec un processus CMOS standard.

Processeurs Quantiques

Le composant principal qui permet à un ordinateur quantique de fonctionner est le processeur quantique. Il existe différentes sortes de processeurs quantiques (photoniques, spintroniques, à piège d'ions, et d'autres), tout comme les processeurs classiques. Plus récemment, il a été démontré que les processeurs quantiques à piège d'ions offrent une meilleure isolation pour les qubits. De plus, ils fournissent une plus grande puissance de calcul avec un nombre de qubits inférieur par rapport à d'autres processeurs.

Depuis le 28 mars 2022, vous pouvez désormais acheter une unité de traitement quantique (QPU) de 25 qubits chez QuantWare, une entreprise issue de l'Université de Delft aux Pays-Bas. Auparavant, l'entreprise avait lancé un processeur de 5 qubits disponible immédiatement en juillet 2021. QuantWare souhaite devenir l'un des principaux fabricants de puces qui développent et produisent des processeurs quantiques à petite échelle. Actuellement, leurs processeurs quantiques personnalisés de 25 qubits peuvent être livrés aux clients en 30 jours. Il est donc logique que les ASICs quantiques et les SoCs quantiques soient les prochains produits disponibles sur la liste.

Bien que la nouvelle offre de produit de QuantWare ne soit pas le seul processeur quantique à avoir jamais été créé, c'est certainement le premier à être disponible commercialement en tant que composant prêt à l'emploi. Parmi les processeurs quantiques notables de ces derniers temps, citons les systèmes annoncés par des entreprises telles qu'Intel, IBM, Honeywell, l'Université des Sciences et Technologies de Chine, et Rigetti. L'écosystème matériel pour soutenir le calcul quantique commence à se développer rapidement, mais cela nécessite beaucoup plus que des processeurs quantiques.

Circuits Supraconducteurs

Les données d'entrée et de sortie d'un processeur quantique doivent être renvoyées à un système de lecture à l'aide de circuits fabriqués à partir de matériaux supraconducteurs. Ces circuits d'interface et de lecture doivent être refroidis à des températures d'environ 10 mK. Juste pour comparaison, la température de fond de l'univers est seulement d'environ 3 K. Finalement, ces circuits se connectent à un système de lecture (voir ci-dessous) afin que les données puissent être capturées.

Les matériaux supraconducteurs (à part les oxydes de cuivre à moins d'environ 35 K) ne sont pas quelque chose que l'on peut se procurer commercialement. Le circuit supraconducteur utilisé dans les processeurs quantiques et les interconnexions de lecture est actuellement fabriqué sur mesure, mais ces derniers finissent par interfacer avec un ensemble de composants micro-ondes. C'est là que les concepteurs RF et les composants qu'ils utilisent deviennent cruciaux.

Sources/Détecteurs Micro-ondes Cohérents et Câbles Coaxiaux

Même les ordinateurs quantiques ont été victimes de pénuries de composants spécialisés. Dans un récent article de MIT Technology Review, Martin Giles se lamentait « Nous aurions plus d'ordinateurs quantiques s'il n'était pas si difficile de trouver ces fichus câbles. » Bien que certains câbles supraconducteurs spécialisés soient nécessaires pour transférer les données, ils se connectent à un ensemble de composants classiques pour la lecture des données.

Les composants standards utilisés dans les fronts d'onde RF peuvent être utilisés en haut de la colonne pour générer, amplifier et capturer les signaux de lecture, qui sont ensuite convertis en bits classiques avec des ADC à haute bande passante/faible bruit. Cela est un peu simpliste car il y a une série d'amplificateurs, de filtres et un détecteur utilisés pour conditionner et capturer le signal de lecture. Alors que la perception du quantique comme un ensemble de technologies super-avancées crée l'impression que des composants RF avancés sont nécessaires, ces systèmes fonctionnent à des fréquences mmWave modérées. Par exemple, l'un des systèmes de lecture d'Intel fonctionne à seulement 20 GHz, ce qui est confortablement dans la plage de fonctionnement de nombreux systèmes RF.

Défis et Opportunités

Standardisation

Actuellement, toute l'électronique classique utilisée dans les systèmes de contrôle pour les ordinateurs quantiques est fabriquée sur mesure à partir de composants discrets. L'intégration de ces systèmes aidera à la miniaturisation, comme cela s'est produit dans les ordinateurs classiques au fil du temps. La responsabilité de cela est partagée entre les fabricants de puces, les concepteurs électroniques et les intégrateurs de systèmes quantiques. Il est peu probable que les fabricants de puces prennent l'initiative de sitôt, mettant l'accent sur les concepteurs de systèmes pour intégrer les systèmes de contrôle et de lecture.

Pour commercialiser ces technologies et lancer de nouveaux produits sur le marché, ils doivent être interopérables avec l'électronique conventionnelle et entre eux, ce qui est activement recherché. Rendre les ordinateurs quantiques interopérables, plus puissants (il ne s'agit pas seulement du nombre de qubits) et miniaturisés nécessite également d'adopter une approche modulaire, ce qui sera rendu possible par une plus grande standardisation. Des organisations comme le Quantum Economic Development Consortium (en toute transparence : je suis un ancien membre de leur comité de développement de la main-d'œuvre) se concentrent sur le développement de ces normes pour aider à une plus grande commercialisation.

Une plus grande standardisation des composants aidera plus de concepteurs à s'impliquer dans le développement de nouveaux systèmes pour soutenir l'informatique quantique. À mesure que davantage de composants et de systèmes quantiques deviennent standardisés et commercialisés, ils seront intégrés plus harmonieusement avec de plus grands systèmes électroniques. Actuellement, les ordinateurs classiques sont utilisés pour les systèmes de contrôle et de lecture, ainsi que pour connecter les ordinateurs quantiques au cloud.

Croissance Réelle du Marché

En ce qui concerne la croissance du marché au cours des prochaines années, les projections de taille du marché varient de 830 millions à 5 milliards de dollars d'ici 2024, et nous sommes bien en route pour atteindre cet objectif. Wall Street a commencé à prendre note, et certains noms bien connus de l'informatique quantique ont été introduits en bourse à travers des fusions avec des SPAC valant des milliards de dollars en 2021. Que cette technologie soit surévaluée ou qu'elle apporte la prochaine vague d'innovation technologique massive reste à voir, mais les concepteurs verront probablement certains des premiers systèmes quantiques et outils de développement disponibles commercialement très bientôt.

À mesure que les composants et systèmes d'ordinateurs quantiques sont commercialisés, Octopart sera là pour offrir des fonctionnalités de gestion de la chaîne d'approvisionnement aux concepteurs. Peu importe le type de système ou de sous-système que vous concevez pour soutenir les ordinateurs quantiques, le moteur de recherche d'Octopart inclut des fonctionnalités de filtration avancées pour vous aider à sélectionner exactement les composants dont vous avez besoin. Jetez un œil à notre page de circuits intégrés pour commencer la recherche de vos composants idéaux.

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