Aluminium

Reportage du 10 mars 2023

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par Ingrid Fadelli, Tech Xplore

Les processeurs quantiques sont des systèmes informatiques qui traitent des informations et effectuent des calculs en exploitant des phénomènes mécaniques quantiques. Ces systèmes pourraient nettement surpasser les processeurs conventionnels sur certaines tâches, à la fois en termes de vitesse et de capacités de calcul.

Alors que les ingénieurs ont développé plusieurs systèmes informatiques quantiques prometteurs au cours de la dernière décennie, la mise à l'échelle de ces systèmes et la garantie qu'ils peuvent être déployés à grande échelle restent un défi permanent. Une stratégie proposée pour augmenter l'évolutivité des processeurs quantiques implique la création de systèmes modulaires contenant plusieurs modules quantiques plus petits, qui peuvent être calibrés individuellement puis disposés dans une architecture plus grande. Ceci, cependant, nécessiterait des interconnexions appropriées et efficaces (c'est-à-dire des dispositifs pour connecter ces modules plus petits).

Des chercheurs de la Southern University of Science and Technology, de l'International Quantum Academy et d'autres instituts en Chine ont récemment développé des interconnexions à faible perte pour relier les modules individuels dans des processeurs quantiques supraconducteurs modulaires. Ces interconnexions, introduites dans Nature Electronics, sont basées sur des câbles en aluminium pur et des transformateurs d'impédance sur puce.

"Notre récent article était basé sur les idées fondamentales de ma recherche postdoctorale à l'Université de Chicago, qui a été publiée dans Nature il y a deux ans", a déclaré à Tech Xplore Youpeng Zhong, l'un des chercheurs qui a mené l'étude. "Dans cette étude, j'ai utilisé un câble coaxial supraconducteur en niobium-titane (NbTi) pour connecter deux processeurs quantiques."

Dans l'un de ses travaux précédents, Zhong a tenté de connecter deux processeurs quantiques distincts à l'aide de câbles supraconducteurs NbTi, qui sont couramment utilisés pour concevoir des systèmes cryogéniques/quantiques. Pour réduire la perte de connexion (c'est-à-dire la perte d'énergie qui se produisait de manière inhérente lorsque l'énergie voyageait d'un processeur à l'autre à travers les câbles), il a essayé de relier par fil les puces quantiques directement au câble de connexion NbTi.

"J'ai trouvé que c'était assez difficile, alors j'ai eu l'idée d'essayer de nouveaux câbles faits de différents métaux supraconducteurs, comme l'aluminium, le même matériau que nos circuits quantiques", a expliqué Zhong. "Les câbles coaxiaux fabriqués avec de l'aluminium pur ne sont pas facilement disponibles sur l'étagère, car l'aluminium est plus difficile à souder que le cuivre, ce qui le rend inadapté aux applications de câblage normales. De plus, sa température de transition supraconductrice est inférieure à la température de l'hélium liquide. Autre que applications d'interconnexion quantique, il est rare de trouver des scénarios où un câble coaxial en aluminium pur est nécessaire."

Pour créer ses nouvelles interconnexions à faible perte, Zhong a commandé sur mesure des câbles coaxiaux en aluminium pur et les a intégrés à des transformateurs d'impédance sur puce. Les interconnexions résultantes présentaient beaucoup moins de perte (c'est-à-dire, un ordre de grandeur inférieur) que les interconnexions couramment utilisées basées sur des câbles NbTi, et étaient également faciles à relier par fil aux puces quantiques.

"Les câbles en aluminium pur se sont avérés être le choix parfait pour les interconnexions quantiques", a déclaré Zhong. "Nos interconnexions comprennent le câble coaxial en aluminium développé sur mesure, une connexion filaire entre le câble et la puce quantique et une ligne de transmission quart d'onde sur la puce quantique, qui sert de transformateur d'impédance. Le transformateur d'impédance dans l'interconnexion de l'équipe convertit le point de connexion filaire à un nœud de courant d'un mode d'onde stationnaire utilisé pour transférer des états quantiques, ce qui minimise considérablement la perte résistive au point de connexion entre différents processeurs quantiques.

"Nos résultats nous rappellent combien d'améliorations potentielles nous pourrions atteindre si nous sortons des sentiers battus", a déclaré Zhong. "Par exemple, les travaux de Charles Kao ont jeté les bases des fibres optiques telles que nous les connaissons tous aujourd'hui : avec une perte record de 0,2 dB/km, elles sont devenues l'épine dorsale du réseau de communication mondial moderne, indispensable aux communications à courte et longue distance. L'impact transformateur de cette recherche en science des matériaux hautement technique et presque négligée a été récompensé par la moitié du prix Nobel de physique 2009. Un autre exemple est l'utilisation de l'acier inoxydable pour le Starship Mars Rocket d'Elon Musk.

Les travaux récents de cette équipe de chercheurs mettent en évidence l'énorme potentiel des câbles en aluminium pour développer des interconnexions efficaces pour relier les modules de traitement dans les systèmes quantiques modulaires. L'interconnexion à faible perte créée par Zong et ses collègues pourrait bientôt être intégrée dans d'autres systèmes modulaires, contribuant aux efforts en cours pour développer des processeurs quantiques plus évolutifs.

"Parmi mes futurs projets de recherche, l'un consiste à explorer les portes d'intrication quantique à travers différents processeurs quantiques", a ajouté Zhong. "Un autre essaie d'augmenter la taille des processeurs quantiques en connectant plusieurs modules ensemble."

Plus d'information: Song Liu, Interconnexions à faible perte pour les processeurs quantiques supraconducteurs modulaires, Nature Electronics (2023). DOI : 10.1038/s41928-023-00925-z. www.nature.com/articles/s41928-023-00925-z

Youpeng Zhong et al, Enchevêtrement multi-qubit déterministe dans un réseau quantique, Nature (2021). DOI : 10.1038/s41586-021-03288-7

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