Rendre les ordinateurs quantiques plus précis | Nouvelles du MIT

Dans le bâtiment 13 du campus du MIT, se trouve un équipement d’un demi-million de dollars qui ressemble à un long lustre allongé, avec une série de disques d’or reliés par de fins tuyaux en argent. L’équipement, connu sous le nom de réfrigérateur à dilution, est un élément clé des recherches du doctorant Alex Greene, car il abrite toutes leurs expériences. « Ma vie se façonne autour de ses rythmes », disent-ils.

La première fois que Greene a aidé à mettre de nouveaux échantillons dans le réfrigérateur, ils travaillaient avec un post-doctorant à minuit un vendredi, faisant exploser de la musique shouto danoise. Depuis lors, le réfrigérateur les a conduits dans des aventures à la fois passionnantes et frustrantes tout au long de leur recherche doctorale sur la réduction des erreurs dans les systèmes informatiques quantiques.

Greene a grandi dans le nord du New Jersey avec leur jumeau identique, Jamie. Les deux étaient extrêmement compétitifs lorsqu’ils étaient enfants, et en dehors de l’école, ils sont restés occupés en courant, en sautant à la perche et en escalade. Leur père est neurologue et leur mère est une ancienne ingénieure électricienne qui a travaillé aux Bell Labs, un laboratoire de recherche connu pour être le pionnier de la technologie clé pour les ordinateurs et les téléphones.

En 2010, Alex et Jamie sont tous deux arrivés au MIT en tant qu’étudiants de premier cycle. Alex s’était intéressé au génie biomédical au lycée, « Mais ensuite, j’ai découvert que je détestais travailler dans des laboratoires ‘humides’ », où les scientifiques manipulent des produits chimiques et des matériaux biologiques, disent-ils. Une autre influence a été « Contact » de Carl Sagan, un livre de science-fiction sur un astronome à la recherche d’une intelligence extraterrestre. « Cela m’a rendu accro à la physique », déclare Greene.

En tant qu’étudiant de premier cycle au MIT, Greene a obtenu une double spécialisation en physique et en génie électrique et en informatique. Ils ont trouvé une maison dans le domaine de l’informatique quantique, où les chercheurs travaillent à construire des ordinateurs extrêmement puissants en tirant parti des concepts physiques de la mécanique quantique.

Greene est resté au MIT pour poursuivre une maîtrise en informatique quantique, travaillant au Lincoln Laboratory. Là, ils ont recherché des moyens d’améliorer une technologie appelée informatique quantique à ions piégés, qui utilise des atomes suspendus dans l’air et contrôlés par des lasers.

Après avoir terminé leur maîtrise, ils se sont tournés vers une technologie différente appelée informatique quantique supraconductrice. Au lieu d’atomes en suspension, cette technologie utilise de minuscules circuits électriques qui sont exceptionnels pour transporter le courant électrique. Pour contrôler ces circuits, les chercheurs n’ont qu’à envoyer des signaux électriques.

Pour ce projet, Greene voulait travailler avec le professeur du MIT William Oliver, qui dirige le Centre d’ingénierie quantique du Laboratoire de recherche en électronique. Une fois de plus, Greene a choisi de rester à l’Institut, cette fois pour poursuivre son doctorat.

Ajouter du hasard aux ordinateurs quantiques

Un jour, les ordinateurs quantiques pourraient résoudre des problèmes au-delà de la portée des ordinateurs classiques normaux, permettant d’immenses progrès dans de nombreuses applications. Cependant, manipuler le matériel pour qu’il présente un comportement quantique est un défi d’un point de vue technologique. Actuellement, les ordinateurs quantiques, y compris ceux supraconducteurs, sont aux prises avec des taux d’erreur élevés qui limitent la longueur et la complexité des «programmes» qu’ils peuvent exécuter. La plupart des recherches expérimentales en informatique quantique se concentrent sur la résolution de ces erreurs.

Greene travaille à rendre les ordinateurs quantiques supraconducteurs plus précis en réduisant l’impact de ces erreurs. Pour tester leurs idées, ils doivent mener des expériences sur des circuits supraconducteurs. Mais pour que ces circuits fonctionnent, ils doivent être refroidis à des températures extrêmement basses, autour de -273,13 degrés Celsius, à moins de 0,02 degré de la température la plus froide possible dans l’univers.

C’est là qu’intervient le réfrigérateur à dilution en forme de lustre. Le réfrigérateur peut facilement atteindre les températures froides requises. Mais parfois, il se comporte mal, envoyant Greene dans des quêtes secondaires pour résoudre ses problèmes.

La quête secondaire la plus ardue de Greene consistait à rechercher une fuite dans l’un des tuyaux du réfrigérateur. Les tuyaux transportent un mélange de gaz coûteux et rare utilisé pour refroidir le réfrigérateur, que Greene ne pouvait pas se permettre de perdre. Heureusement, même avec la fuite, le réfrigérateur a été conçu pour rester fonctionnel sans perdre de mélange pendant environ deux semaines à la fois. Mais, pour maintenir le réfrigérateur en service, Greene devait constamment le redémarrer et le nettoyer au cours d’un processus de cinq jours. Après environ sept mois stressants, Greene et son compagnon de laboratoire ont finalement localisé et réparé la fuite, permettant à Greene de reprendre ses recherches à toute vitesse.

Pour élaborer une stratégie pour améliorer efficacement la précision des ordinateurs quantiques supraconducteurs, Greene devait d’abord faire le point sur les différents types d’erreurs dans ces systèmes. En informatique quantique, il existe deux catégories d’erreurs : les erreurs incohérentes et les erreurs cohérentes. Les erreurs incohérentes sont des erreurs aléatoires qui se produisent même lorsque l’ordinateur quantique est inactif, tandis que les erreurs cohérentes sont causées par un contrôle imparfait du système. Dans les ordinateurs quantiques, les erreurs cohérentes sont souvent les pires responsables des inexactitudes du système ; les chercheurs ont mathématiquement montré que les erreurs cohérentes s’accumulent beaucoup plus rapidement que les erreurs incohérentes.

Pour éviter les vilaines inexactitudes composées d’erreurs cohérentes, Greene a employé une tactique astucieuse : déguiser ces erreurs pour qu’elles ressemblent à des erreurs incohérentes. « Si vous [strategically] introduisez un peu d’aléatoire dans les circuits supraconducteurs », disent-ils. D’autres chercheurs dans le domaine utilisent également des tactiques aléatoires de différentes manières, note Greene. Néanmoins, grâce à leurs recherches, Greene contribue à ouvrir la voie à des ordinateurs quantiques supraconducteurs plus précis.

Améliorer l’assainissement de l’eau au Pakistan

En dehors de la recherche, Greene est constamment engagé dans un tourbillon d’activités, ajoutant de nouveaux passe-temps tout en supprimant minutieusement les anciens pour faire de la place dans son emploi du temps chargé. Au fil des ans, leurs passe-temps ont inclus le soufflage de verre, le chant dans une chorale queer locale et l’escalade de compétition. Actuellement, ils passent leurs week-ends à travailler sur des projets de rénovation domiciliaire avec leur partenaire dans leur coopérative aux couleurs de l’arc-en-ciel.

Au cours de la dernière année et demie, Greene a également participé à des projets d’assainissement de l’eau par le biais de cours avec le MIT D-Lab, un programme basé sur des projets visant à aider les communautés pauvres du monde entier. Suivre des cours au D-Lab était « quelque chose que j’ai toujours voulu faire depuis le premier cycle, mais je n’ai jamais eu le temps pour ça », disent-ils. Ils ont finalement pu intégrer D-Lab à leur emploi du temps en utilisant les cours pour répondre aux exigences de leur doctorat.

Pour un projet, ils développent un système pour filtrer efficacement et à moindre coût les excès nocifs de fluorure des approvisionnements en eau au Pakistan. « Il n’est pas intuitif que le fluor soit mauvais parce que nous avons du fluor dans notre dentifrice », disent-ils. « Mais en fait, trop de fluorure modifie la dureté de vos dents et de vos os. » Une idée qu’eux et leurs collaborateurs explorent est de construire un système de filtration de l’eau en utilisant de l’argile, une méthode d’élimination du fluorure établie mais bon marché.

Un professeur adjoint invité du Pakistan, qui participait à la classe D-Lab, avait initialement présenté le projet de filtration du fluorure. À la fin du cours, le professeur est retourné au Pakistan, mais a tout de même poursuivi le projet. Greene travaille maintenant virtuellement avec le professeur pour aider à déterminer le meilleur type d’argile pour filtrer le fluorure. Grâce à leurs expériences avec D-Lab, Greene se voit continuer à faire du bénévolat sur des projets d’assainissement de l’eau à long terme.

Greene prévoit de terminer son doctorat en décembre. Après 12 ans au MIT, Greene a pour objectif de quitter l’Institut pour travailler dans une entreprise d’informatique quantique. « C’est vraiment une excellente période pour être sur le terrain » dans l’industrie, disent-ils. « Les entreprises commencent à se développer [quantum computing] La technologie. »