Il est tout à fait classique que le fonctionnement des ordinateurs classiques soit considérablement affecté par la chaleur et il se peut que l’on ait déjà rencontré cette situation dans sa vie, lorsque son ordinateur ne fonctionnait pas correctement en raison d’un échauffement excessif.
Mais qu’en est-il des ordinateurs quantiques ? Les facteurs thermodynamiques influencent-ils le fonctionnement d’un dispositif d’informatique quantique ? Les ordinateurs quantiques fonctionnent à l’aide de bits quantiques ou qubits qui sont essentiellement dans un état superposé et échangent des informations en code binaire. Il est intéressant de noter que les qubits n’échangent pas seulement des informations en utilisant 0 et 1, mais aussi des valeurs intermédiaires entre 0 et 1. Ces qubits sont très sensibles, en ce sens qu’une génération excessive de chaleur pourrait provoquer des défauts liés au travail, ce qui, dans un sens, pourrait nuire à l’appareil dans son ensemble. Un autre point crucial est que pour extraire des informations significatives du système de qubits, les états quantiques associés doivent être démantelés, ce qui pourrait avoir un impact négatif sur le système quantique, car le processus serait exothermique.
La jonction Josephson : Un élément clé des systèmes quantiques
Dans des travaux récents, des physiciens ont étudié les effets thermodynamiques causés par des systèmes quantiques supraconducteurs [1]. La méthode implique l’utilisation d’une jonction Josephson qui fonctionne essentiellement sur l’effet Josephson, un exemple de phénomène quantique macroscopique dans lequel un supercourant circule entre deux supraconducteurs placés bout à bout ou à proximité l’un de l’autre. La principale utilité d’une jonction Josephson est de stocker des informations quantiques. L’utilisation de supraconducteurs est un atout car elle permet d’améliorer l’efficacité des qubits.
The researchers employed quantum phase slips (QPS) in combination with the Josephson junction. These phase slips are essentially conceptualized as quantum tunneling of pulse in a direction transverse to the weak part of superconductors. This in turn produces dissipation or heat.
Les défis et les avantages des Qubits supraconducteurs
L’utilisation de qubits supraconducteurs présente des avantages et des inconvénients. Comme l’explique Wolfgang Belzig, l’un des auteurs de l’ouvrage, « l’un des plus grands avantages des qubits supraconducteurs est qu’ils sont si grands : « L’un des plus grands avantages des qubits supraconducteurs est leur taille, qui les rend faciles à construire et à contrôler. D’un autre côté, cela peut être un inconvénient si l’on veut placer de nombreux qubits sur une puce. Les développeurs doivent tenir compte du fait que la chaleur produite est plus importante et que le système doit être refroidi de manière adéquate.
Ces nouveaux travaux ouvrent une toute nouvelle voie de recherche, car auparavant, la recherche sur l’informatique quantique était principalement axée sur l’amélioration technologique et l’utilisation de la bonne combinaison de matériaux pour produire les qubits nécessaires. Cependant, les derniers travaux permettent aux chercheurs de mesurer avec précision la quantité de chaleur produite par les systèmes supraconducteurs, ce qui devrait permettre à la recherche sur l’informatique quantique et les domaines associés de franchir une nouvelle étape. En particulier, les auteurs de ces travaux anticipent des expériences futuristes passionnantes basées sur leur innovation et espèrent qu’une manipulation cohérente de la dissipation dans les circuits basés sur le QPS permettra de surmonter l’échauffement excessif des dispositifs et d’augmenter ainsi leurs performances.
Références
[1] E. Gümüş et al, Calorimetry of a phase slip in a Josephson junction, Nature Physics (2023). DOI: 10.1038/s41567-022-01844-0
