The contents of this metal cylinder could either revolutionize technology or be completely useless— it all depends on whether we can harness the strange physics of matter at very, very small scales. To have even a chance of doing so, we have to control the environment precisely: the thick tabletop and legs guard against vibrations from footsteps, nearby elevators, and opening or closing doors. The cylinder is a vacuum chamber, devoid of all the gases in air. Inside the vacuum chamber is a smaller, extremely cold compartment, reachable by tiny laser beams. Inside are ultra-sensitive particles that make up a quantum computer.
Le contenu de ce cylindre de métal pourrait soit révolutionner la technologie soit être totalement inutile— cela dépend de notre capacité à maîtriser les étranges propriétés de la matière à de très, très petites échelles. Pour avoir une chance d'y parvenir, nous devons contrôler précisément l'environnement : le dessus de table épais et les pieds protègent des vibrations des pas, des ascenseurs voisins, et des ouvertures ou fermetures de portes. Le cylindre est une chambre à vide, dénuée de tout gaz. Dans la chambre à vide se trouve un compartiment plus petit, extrêmement froid, atteignable par de petits faisceaux laser. A l'intérieur, des particules ultra sensibles forment un ordinateur quantique.
So what makes these particles worth the effort? In theory, quantum computers could outstrip the computational limits of classical computers. Classical computers process data in the form of bits. Each bit can switch between two states labeled zero and one. A quantum computer uses something called a qubit, which can switch between zero, one, and what’s called a superposition. While the qubit is in its superposition, it has a lot more information than one or zero. You can think of these positions as points on a sphere: the north and south poles of the sphere represent one and zero. A bit can only switch between these two poles, but when a qubit is in its superposition, it can be at any point on the sphere. We can’t locate it exactly— the moment we read it, the qubit resolves into a zero or a one. But even though we can’t observe the qubit in its superposition, we can manipulate it to perform particular operations while in this state.
Qu'est-ce que ces particules ont qui vaille tous ces efforts ? En théorie, les ordinateurs quantiques pourraient dépasser les limites informatiques des ordinateurs classiques. Les ordinateurs classiques traitent les données sous la forme de bits. Chaque bit peut basculer entre deux états nommés zéro et un. Un ordinateur quantique utilise quelque chose appelé un qubit, qui peut basculer entre zéro, un, et ce qu'on appelle une superposition. Lorsque le qubit est en superposition, il contient bien plus d'information que un ou zéro. Représentez-vous ces positions comme des points sur une sphère : les pôles nord et sud de la sphère représentent un et zéro. Un bit peut seulement basculer entre chacun de ces pôles, mais quand un qubit est en superposition, il peut être en tout point de la sphère. On ne peut le localiser précisément— dès qu'on le lit, le qubit se transforme en zéro ou en un. Bien qu'on ne puisse pas observer le qubit en superposition, on peut le manipuler dans cet état pour effectuer des opérations.
So as a problem grows more complicated, a classical computer needs correspondingly more bits to solve it, while a quantum computer will theoretically be able to handle more and more complicated problems without requiring as many more qubits as a classical computer would need bits.
Lorsqu'un problème devient de plus en plus compliqué, un ordinateur classique aura besoin d'autant plus de bits pour le résoudre, alors qu'un ordinateur quantique pourra théoriquement gérer des problèmes de plus en plus complexes sans nécessiter autant de qubits de plus qu'un ordinateur classique de bits.
The unique properties of quantum computers result from the behavior of atomic and subatomic particles. These particles have quantum states, which correspond to the state of the qubit. Quantum states are incredibly fragile, easily destroyed by temperature and pressure fluctuations, stray electromagnetic fields, and collisions with nearby particles. That’s why quantum computers need such an elaborate set up. It’s also why, for now, the power of quantum computers remains largely theoretical. So far, we can only control a few qubits in the same place at the same time.
Les propriétés uniques des ordinateurs quantiques viennent du comportement de particules atomiques et subatomiques. Ces particules ont des états quantiques, qui correspondent à l'état du qubit. Les états quantiques sont incroyablement fragiles, facilement détruits par les fluctuations de température et de pression, les champs magnétiques qui trainent, et les collisions avec des particules voisines. C'est pourquoi les ordinateurs quantiques ont besoin d'une configuration élaborée. C'est aussi pourquoi, pour l'instant, la puissance des ordinateurs quantiques reste largement théorique. Pour l'instant, nous pouvons contrôler seulement quelques qubits au même endroit et au même moment.
There are two key components involved in managing these fickle quantum states effectively: the types of particles a quantum computer uses, and how it manipulates those particles. For now, there are two leading approaches: trapped ions and superconducting qubits.
Il y a deux composants clé impliqués dans la gestion efficace de ces états quantiques changeants : les types de particules qu'un ordinateur quantique utilise, et comment il manipule ces particules. Pour l'instant, il existe deux approches majeures : les ions piégés et les qubits supraconducteurs.
A trapped ion quantum computer uses ions as its particles and manipulates them with lasers. The ions are housed in a trap made of electrical fields. Inputs from the lasers tell the ions what operation to make by causing the qubit state to rotate on the sphere. To use a simplified example, the lasers could input the question: what are the prime factors of 15? In response, the ions may release photons— the state of the qubit determines whether the ion emits photons and how many photons it emits. An imaging system collects these photons and processes them to reveal the answer: 3 and 5.
Un ordinateur quantique à ions piégés utilise des ions comme particules et les manipule avec des lasers. Les ions sont logés dans un piège fait de champs électriques. Les entrées laser indiquent aux ions quelle opération faire en causant la rotation de l'état du qubit sur la sphère. Pour donner un exemple simplifié, les lasers pourraient poser la question : quels sont les facteurs premiers de 15 ? En réponse, les ions pourraient libérer des photons— l'état du qubit détermine si l'ion émet des photons et combien de photons il émet. Un système d'imagerie collecte ces photons et les analyse pour connaître la réponse : 3 et 5.
Superconducting qubit quantum computers do the same thing in a different way: using a chip with electrical circuits instead of an ion trap. The states of each electrical circuit translate to the state of the qubit. They can be manipulated with electrical inputs in the form of microwaves. So: the qubits come from either ions or electrical circuits, acted on by either lasers or microwaves. Each approach has advantages and disadvantages. Ions can be manipulated very precisely, and they last a long time, but as more ions are added to a trap, it becomes increasingly difficult to control each with precision. We can’t currently contain enough ions in a trap to make advanced computations, but one possible solution might be to connect many smaller traps that communicate with each other via photons rather than trying to create one big trap. Superconducting circuits, meanwhile, make operations much faster than trapped ions, and it’s easier to scale up the number of circuits in a computer than the number of ions. But the circuits are also more fragile, and have a shorter overall lifespan.
Les ordinateurs quantiques à qubit supraconducteur le font différemment : ils utilisent une puce à circuits électriques au lieu d'un piège à ion. Les états de chaque circuit électrique se traduisent en état du qubit. Ils peuvent être manipulés par des entrées électriques sous forme de micro-ondes. Les qubits viennent donc soit d'ions soit de circuits électriques, sur lesquels on agit avec des lasers ou des micro-ondes. Chaque approche a des avantages et des inconvénients. Les ions peuvent être manipulés avec une grande précision, et ils ont une grande durée de vie, mais plus on ajoute d'ions dans le piège, plus il devient difficile de contrôler chacun avec précision. Nous ne savons pas piéger suffisamment d'ions pour faire des calculs avancés, mais une solution pourrait être de connecter plusieurs pièges plus petits communiquant les uns avec les autres grâce à des photons plutôt que d'essayer de faire un seul gros piège. Les circuits supraconducteurs font des calculs plus rapidement que les ions piégés, et il est plus facile d'augmenter le nombre de circuits dans un ordinateur que le nombre d'ions. Mais les circuits sont plus fragiles, et ont une durée de vie plus courte.
And as quantum computers advance, they will still be subject to the environmental constraints needed to preserve quantum states. But in spite of all these obstacles, we’ve already succeeded at making computations in a realm we can’t enter or even observe.
Même si les ordinateurs quantiques vont progresser, ils seront toujours soumis aux contraintes environnementales de la préservation des états quantiques. Mais malgré tous ces obstacles, nous avons déjà réussi à faire des calculs dans un royaume que nous ne pouvons ni pénétrer ni observer.