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Cette étude, menée par des experts de l'Université de Chicago, de Stanford, du MIT et d'autres institutions, évalue l'état des matériels quantiques. Elle indique que, bien que des systèmes fonctionnels existent, les véritables obstacles résident dans leur expansion à grande échelle. La collaboration entre académies, gouvernements et industries a accéléré les progrès, mais la route vers des applications pratiques massives est encore longue.
Le processeur quantique Majorana 1.
Crédit: Microsoft
Pour mesurer les avancées, les auteurs ont comparé six plates-formes quantiques majeures, comme les qubits (voir ci-dessous) supraconducteurs et les ions piégés. En utilisant des modèles d'intelligence artificielle, ils ont attribué des niveaux de maturité technologique à chaque approche. Ces évaluations montrent que même les prototypes les plus avancés sont loin des performances nécessaires pour, par exemple, des simulations chimiques à grande échelle nécessitant des millions de qubits avec une faible erreur.
L'un des coauteurs, William D. Oliver du MIT, explique que des composants électroniques des années 1970, bien que matures pour leur temps, étaient limités comparés aux circuits intégrés actuels. De même, une haute maturité technologique aujourd'hui ne signifie pas que les objectifs quantiques sont atteints, mais qu'une démonstration modeste a été réalisée, nécessitant encore des améliorations substantielles.
Les principaux obstacles identifiés incluent la fabrication de dispositifs de haute qualité en série, la gestion des câblages et des signaux, ainsi que le contrôle des systèmes. Ces problèmes rappellent ceux rencontrés par les ingénieurs en informatique dans les années 1960, avec la "tyrannie des nombres". La maîtrise de la puissance, de la température et de l'étalonnage automatique est essentielle pour passer à l'échelle.
L'analyse montre l'importance de tirer des leçons de l'histoire de l'informatique. Des innovations comme la lithographie ou les nouveaux matériaux pour transistors ont pris des décennies à passer du laboratoire à l'industrie. Pour les technologies quantiques, une approche systémique et une connaissance scientifique partagée sont vitales, tout en cultivant la patience, comme l'ont été de nombreuses percées historiques.
Ainsi, bien que la technologie quantique progresse rapidement, son plein potentiel dépendra de la résolution d'obstacles techniques persistants et d'une vision à long terme. Les chercheurs appellent à des efforts coordonnés pour transformer ces promesses en réalités concrètes, sans précipitation.
Les qubits: les unités fondamentales de l'informatique quantique
Les qubits sont les éléments de base des systèmes quantiques, similaires aux bits en informatique classique, mais avec des propriétés uniques. Contrairement aux bits qui représentent 0 ou 1, les qubits peuvent exister dans une superposition d'états, permettant des calculs parallèles massifs. Cette caractéristique est exploitée pour résoudre des problèmes ardus, comme la simulation moléculaire ou l'optimisation, qui dépassent les capacités des ordinateurs traditionnels.
Différentes technologies sont utilisées pour créer des qubits, chacune avec ses avantages et inconvénients. Par exemple, les qubits supraconducteurs fonctionnent à des températures extrêmement basses, tandis que les ions piégés sont stables mais nécessitent un contrôle précis. Les spin defects dans les semi-conducteurs offrent une intégration potentielle avec l'électronique existante, mais leur fabrication est délicate.
Le choix d'une plate-forme dépend de l'application visée, comme le calcul, la communication ou la détection. Les chercheurs travaillent à améliorer la cohérence et la fidélité des qubits, c'est-à-dire leur capacité à maintenir l'information quantique sans erreur. Des progrès dans les matériaux et les techniques de contrôle sont essentiels pour réaliser des systèmes pratiques à grande échelle.
Comprendre ces différences aide à apprécier pourquoi la mise à l'échelle est si difficile. Chaque type de qubit impose des contraintes spécifiques en termes de température, de bruit et de connectivité, ce qui explique la diversité des approches explorées dans la recherche quantique.
L'échelle de maturité technologique (TRL) appliquée au quantique
L'échelle de maturité technologique, ou TRL, est un outil utilisé pour évaluer le développement d'une innovation, de la conception théorique à la mise en œuvre opérationnelle. Elle comporte neuf niveaux, où le niveau 1 correspond à l'observation des principes de base en laboratoire, et le niveau 9 à une technologie éprouvée en environnement réel. Dans le domaine quantique, cette échelle permet de comparer objectivement les différentes plates-formes.
L'application du TRL aux technologies quantiques montre que la plupart des systèmes sont encore aux niveaux intermédiaires, entre 4 et 6, où des prototypes fonctionnels existent mais nécessitent des optimisations. Par exemple, des qubits supraconducteurs ont atteint un TRL élevé pour le calcul, mais leur performance brute reste insuffisante pour des applications industrielles à grande échelle.
Cette évaluation aide à identifier les étapes critiques pour le passage à l'échelle, comme l'amélioration de la fabrication ou la réduction des erreurs. Elle met aussi en garde contre une interprétation trop optimiste: un haut TRL ne signifie pas que la technologie est prête pour un déploiement massif, mais qu'elle a franchi une étape importante dans son développement.
En regardant l'histoire, des technologies comme les semi-conducteurs ont connu des TRL élevés à des époques où leurs capacités étaient limitées. Cela rappelle que le chemin vers la maturité est progressif, nécessitant des itérations constantes et des investissements soutenus dans la recherche et l'ingénierie.