Nobel laureate says he’ll build world’s most powerful quantum computer

John Martinis est un spécialiste du matériel informatique. Il préfère l’essentiel de la physique en laboratoire au monde idéalisé des manuels scolaires. Mais on ne pourrait pas écrire les livres d’histoire de l’informatique quantique sans lui : il a joué un rôle central dans deux des moments les plus cruciaux du domaine. Et il travaille dur pour courir après le prochain.

Tout a commencé dans les années 1980, lorsque Martinis et ses collègues ont mené une série d’expériences pour sonder les limites de ce que l’on savait des effets quantiques – pour ces travaux, il a remporté un prix Nobel l’année dernière. À l’époque où il était étudiant diplômé à l’Université de Californie à Berkeley, nous savions que les particules subatomiques étaient soumises à des effets quantiques, mais la question était de savoir si le monde de la mécanique quantique pouvait s’étendre à des échelles plus grandes.

Martinis et ses collègues ont construit et étudié des circuits constitués d’un mélange de supraconducteurs et d’isolants où, il s’est avéré que de nombreuses particules chargées à l’intérieur du circuit se comportaient comme s’il s’agissait d’une seule particule quantique. Il s’agissait d’un quantisme macroscopique qui a jeté les bases de la construction de certains des ordinateurs quantiques les plus puissants d’aujourd’hui, notamment ceux actuellement défendus par IBM et Google. En fait, les travaux de Martinis ont déclenché la tendance des géants de la technologie à utiliser des bits quantiques, ou qubits, fabriqués à partir de circuits supraconducteurs – les qubits les plus largement utilisés dans le monde aujourd’hui.

La deuxième fois que Martinis a bouleversé le domaine, il dirigeait l’équipe de chercheurs de Google qui a construit l’ordinateur quantique qui a atteint pour la première fois la « suprématie quantique ». Pendant près de cinq ans, c’était le seul ordinateur au monde, quantique ou autre, capable de vérifier la sortie d’un circuit quantique aléatoire. Il a ensuite été surpassé par les ordinateurs classiques.

Aujourd’hui, sur le point d’avoir 70 ans, Martinis pense pouvoir remporter une autre victoire historique avec les qubits supraconducteurs. En 2024, il a cofondé QoLab, une société d’informatique quantique qui, selon lui, adoptera une approche radicalement nouvelle pour tenter de créer ce que tous les acteurs du domaine recherchent : des ordinateurs quantiques véritablement pratiques.

Karmela Padavic-Callaghan : Vous avez fait des vagues au début de votre carrière en effectuant un travail vraiment fondamental. Quand avez-vous commencé à comprendre que votre expérience pouvait déboucher sur une nouvelle technologie ?

John Martinis : On s’est demandé si une variable macroscopique pouvait échapper à la mécanique quantique, et étant jeune et apprenant tout juste la mécanique quantique, il semblait que c’était quelque chose que nous devions tester. Peut-être que si vous étiez plus âgé, vous auriez simplement supposé que la mécanique quantique fonctionnerait. Mais en tant que jeune étudiant, cela semblait être une expérience fantastique que de faire un test fondamental de mécanique quantique.

La première chose que nous avons faite a été de mettre en place une expérience très simple et rapide en utilisant la technologie de l’époque. Lorsque nous avons récupéré les données, l’expérience s’est avérée un échec total. Mais nous avons pu échouer rapidement, donc cela n’avait pas d’importance. En fin de compte, c’était une expérience où il fallait comprendre l’ingénierie des micro-ondes. Il fallait comprendre le bruit, il y a beaucoup de choses techniques à faire, mais [success] est arrivé assez vite après ça.

Pendant les 10 premières années qui ont suivi, nous avons mené cette expérience et construit des dispositifs quantiques. Ensuite, la théorie de l’informatique quantique a beaucoup avancé, je dirais notamment l’algorithme de Shor [which factors large numbers for breaking cryptography]puis correction d’erreur [algorithms] peu après. Cela a fourni une base solide pour le domaine. Les gens pouvaient désormais imaginer construire quelque chose. Grâce à cela, des fonds sont devenus disponibles.

Comment le financement a-t-il changé la recherche et, finalement, la technologie ?

Les choses ont vraiment changé depuis les années 1980. À l’époque, on n’avait même pas testé si un seul système quantique pouvait être manipulé et mesuré correctement. Il est intéressant de savoir où ont évolué les choses au cours des 40 dernières années. L’informatique quantique est devenue un domaine immense ! Ce qui est le plus fier de tout cela, c’est le nombre de physiciens employés aujourd’hui pour comprendre la mécanique quantique de ces systèmes supraconducteurs et construire des ordinateurs quantiques.

Vous avez contribué aux premiers jours de l’informatique quantique. Comment cela vous aide-t-il à comprendre où va le domaine actuellement ?

Ayant fait partie du domaine tout le temps, je comprends les fondamentaux de la physique. J’ai construit le premier appareil électronique à micro-ondes pour [quantum devices] dans notre groupe à l’Université de Californie à Santa Barbara, puis chez Google, j’ai construit mes propres cryostats [devices that keep superconducting quantum computers chilled to the extremely cold temperatures they need to operate]. J’ai participé à la fabrication de chaque élément. Je pense que beaucoup de gens, s’ils n’ont pas vécu tout cela, seront simplement optimistes quant au fait que nous continuerons à avancer. Je sais où sont tous les problèmes. Si vous voulez construire un système informatique très complexe, tout dépend de l’ingénierie des systèmes, et je pense que j’ai un avantage dans la mesure où je comprends assez bien la physique de base de tout.

Selon vous, comment le matériel informatique quantique doit-il évoluer pour rendre les ordinateurs quantiques utiles et pratiques ? Sur quels changements pariez-vous comme début de la prochaine percée ?

Après avoir quitté Google, j’ai pensé à un ordinateur quantique comme à un système dans son ensemble et j’ai repensé tous les principes fondamentaux de ce que nous devons réellement construire et améliorer. QoLab est basé sur cela, avec des changements assez spectaculaires dans la façon dont nous construisons les qubits. [in terms of manufacturing techniques] et comment vous assemblez le tout, en particulier le câblage.

Ce que nous avons réalisé, c’est qu’il faut penser à la construction d’ordinateurs quantiques d’une manière totalement différente pour rendre la technologie fiable et réduire les coûts. C’est difficile, et difficile à comprendre pour les gens. Nous avons rencontré une quantité surprenante de réticences et de scepticisme, mais d’après mon expérience en physique pendant de nombreuses décennies, cela signifie que nous avons une bonne idée.

On entend parfois dire que pour fabriquer un ordinateur quantique sans erreur et vraiment utile, il lui faudra un très grand nombre de qubits, plusieurs millions. Comment y arrivez-vous ?

En ce qui concerne le domaine dans lequel nous cherchons à provoquer la plus grande perturbation, c’est dans le secteur manufacturier et, en particulier, dans la fabrication de puces quantiques, qui est également la partie la plus difficile. Si vous regardez ce que font tout le monde – Google, IBM, Amazon et bien d’autres sociétés – ils utilisent des techniques de fabrication qui datent, je ne sais pas, des années 1950 ou 1960. Je ne sais pas [any other industry that] construit de vrais circuits de nos jours avec ces méthodes. Nous pensons donc que si vous voulez fabriquer un million de qubits et les rendre fiables, vous devez faire autre chose.

Nous sommes très enthousiasmés par la façon dont nous pouvons changer fondamentalement la façon dont ces appareils sont construits. Et nous avons une architecture pour les puces qui peut aider à éliminer tous les fils. Si vous regardez une photo de [superconducting] les ordinateurs quantiques, ce n’est qu’une jungle de fils et de composants micro-ondes. Je veux mettre tout cela dans une puce et pouvoir l’étendre. Dans le cas des qubits supraconducteurs, le gros problème est celui du câblage, et nous travaillons à le résoudre.

Pensez-vous qu’il y aura un vainqueur clair dans la course à un ordinateur quantique pratique dans, disons, cinq ans ?

Les gens tentent de construire un ordinateur quantique de différentes manières et, étant donné que les contraintes d’ingénierie des systèmes sont très difficiles, je pense qu’il est bon d’aborder ce problème de différentes manières. Je pense qu’il est bon que de nombreuses idées différentes soient financées, car les chances de réussite sont alors meilleures. Mais lorsque je pense à ces contraintes, et elles sont nombreuses, je dirais généralement que beaucoup de projets sont un peu, je dirai simplement, naïfs quant à ce qu’il faut réellement pour y répondre, comme la gestion des coûts ou la production d’appareils à grande échelle. D’un autre côté, je suis sûr que de nombreuses équipes de recherche ont des idées pour résoudre certains de leurs problèmes de conception dont elles ne parlent pas publiquement.

Et le plan d’affaires de QoLab est, je pense, un peu différent, peut-être même unique, dans le sens où nous adoptons la collaboration parce que nous pensons que nous avons besoin de toute l’expertise. Nous travaillons avec des entreprises de matériel informatique qui savent comment évoluer et comment réaliser une fabrication sophistiquée.

Si quelqu’un vous offrait demain un très grand ordinateur quantique résistant aux erreurs, quelle serait la première chose que vous essaieriez ?

Je suis vraiment intéressé à utiliser un ordinateur quantique pour résoudre des problèmes de chimie quantique et de matériaux quantiques. Il existe des articles récents sur son utilisation pour aider [extract more useful information from] des expériences de résonance magnétique nucléaire (RMN) en chimie et j’aime beaucoup cela comme première application. Ce problème quantique est difficile à résoudre sur un superordinateur classique en raison des difficultés fondamentales de la mécanique quantique. Mais ce problème est, bien sûr, fondamentalement résolu avec un ordinateur quantique : vous ne faites que mapper un problème quantique dans un ordinateur quantique. Je peux être enthousiasmé par cela, en partie parce que j’aime avoir des idées précises sur la façon de construire [a device] et les gens ont développé des algorithmes précis pour faire [applications like enhancing NMR].

Beaucoup de gens penseraient peut-être à faire quelque chose avec, disons, les problèmes d’optimisation et l’intelligence artificielle quantique. Pour moi, il s’agit plutôt d’un « essayez-le et voyez si cela fonctionne ». La théorie derrière les applications des matériaux et des applications chimiques est beaucoup plus précise. Nous savons quelle est l’ampleur [quantum computer] doit être. Je pense que cette machine est quelque chose que nous pouvons construire, à la fois en termes de taille et de vitesse d’exécution.

Certaines des utilisations potentielles des ordinateurs quantiques ont été déterminées mathématiquement il y a plus de 30 ans. Pourquoi ne sont-ils pas encore devenus réalité ?

Vous pouvez faire abstraction du comportement d’un qubit et imaginer comment construire un ordinateur quantique, et c’est formidable, car vous pouvez alors faire réfléchir des informaticiens, des mathématiciens et des théoriciens. Mais le vrai problème ici est que les vrais qubits ont des sources de bruit [such as heat from external wires, or impurities in the qubit’s own material]et les problèmes qui sont des choses physiques. De nombreux efforts d’informatique quantique sont menés par des théoriciens, ce qui est bien, mais le système réel est bien plus compliqué, tout comme ce qu’il faut faire pour construire le matériel capable de fonctionner correctement.

Dans [my graduate advisor] Dans le groupe de John Clarke, j’ai été formé pour comprendre le bruit. Ce genre d’expérience a été vraiment bénéfique pour moi et pour les personnes avec qui j’ai travaillé, car nous réfléchissions aux qubits de manière très physique, en essayant de nous débarrasser des mécanismes de bruit physique qui rendent les puces peu fiables. C’est ce qui s’est passé avec l’expérience de suprématie quantique ; [some of the noise comes from the fact that] vous avez ces « états à deux niveaux » dans votre appareil et vous le faites fonctionner pour les éviter. Vous pouvez le faire fonctionner, mais c’est une vraie douleur dans le cou et cela rend tout simplement difficile la mise à l’échelle. J’espère que nous 1770152858 éliminer cet effet ou le réduire. Il faut entrer dans les détails de la conception des qubits pour comprendre cela.

Le problème est qu’il faut disposer à la fois du matériel et des idées d’applications, et je pense que nous devons améliorer considérablement le matériel dans tous les domaines. C’est donc sur cela que je me concentre.