“Les plateformes d’atomes neutres permettent ainsi d’obtenir des registres quantiques de plus grande taille qu’avec d’autres plateformes quantiques.”
L’informatique quantique doit révolutionner le domaine du calcul intensif et ouvrir de nouvelles possibilités pour la résolution de certains problèmes spécifiques réputés insolubles dans des délais raisonnables.
La construction d’un ordinateur quantique se heurte toutefois à plusieurs obstacles. Le plus important est la décohérence, c’est-à-dire le fait que le système perde ses propriétés quantiques en raison des interactions avec son environnement (la lumière, par exemple).
Ce problème, qui s’amplifie à mesure que l’on ajoute des qubits (briques de base des ordinateurs quantiques), limite fortement la taille des machines quantiques, et donc leurs performances et leur avantage par rapport à leurs équivalents “classiques”.
Pour lever les freins, plusieurs pistes sont explorées, notamment autour de la production des qubits. Parmi elles, les atomes refroidis par laser apparaissent comme des candidats prometteurs pour assembler des dispositifs avec un nombre élevé de qubits et un haut niveau de contrôle.
C’est l’approche retenue par la deeptech française Pasqal, qui travaille sur une première génération de processeurs quantiques aux côtés de partenaires académiques et industriels.
Le potentiel des atomes neutres froids
Fondée par Georges-Olivier Reymond en 2019, Pasqal est née des travaux menés depuis le début des années 2010 par Antoine Browaeys et Thierry Lahaye au laboratoire Charles Fabry (Institut d’Optique Graduate School, CNRS, Université Paris-Saclay) sur la simulation de problèmes à N corps à l’aide d’un simulateur quantique programmable composé de réseaux d’atomes non ionisés (“neutres”).
Des atomes de rubidium sont refroidis à quelques microkelvins par des lasers et piégés à l’intérieur d’un dispositif appelé “piège magnéto-optique”. Ils sont ensuite manipulés individuellement grâce à des pinces optiques pour créer des matrices d’atomes reconfigurables à volonté en 2D et même en 3D.
Pasqal affirme que les architectures utilisant des atomes neutres sont uniques, non seulement par rapport aux systèmes classiques, mais aussi par rapport à leurs homologues quantiques (les circuits supraconducteurs, utilisés par IBM ou Google, constituent actuellement l’une des approches les plus communes en informatique quantique).
En effet, ces atomes présentent plusieurs propriétés intéressantes. Ils sont intrinsèquement identiques, ce qui constitue un atout important lorsqu’ils sont utilisés en tant que qubits pour obtenir de faibles taux d’erreur durant le calcul.
Leur piégeage permet de bien les isoler du monde extérieur et contribue donc à préserver leur comportement quantique. En outre, grâce aux progrès accomplis ces dernières années dans les domaines de la physique atomique et de la technologie laser, ils peuvent être manipulés avec une grande précision.
Ainsi, les plateformes d’atomes neutres permettent d’obtenir des registres quantiques (emplacements de mémoire du processeur) de plus grande taille (c’est-à-dire composés d’un plus grand nombre de qubits) que d’autres plateformes quantiques.
Les deux principales applications envisagées sont la simulation quantique et la résolution de problèmes mathématiques difficiles. Elles sont décrites dans cet article de présentation publié en 2020.
Stimuler la découverte de nouveaux médicaments et matériaux
La simulation quantique permet d’explorer des phénomènes physiques complexes dans de nombreux domaines scientifiques, tels que la physique de la matière condensée (le champ le plus actif de la physique contemporaine, qui comprend une grande variété de spécialités telles que la physique des semi-conducteurs) ou la chimie quantique.
Les processeurs programmables de Pasqal pourraient ainsi être utilisés pour faire progresser la recherche fondamentale, avec une consommation énergétique et des coûts de calcul très réduits, tout en bénéficiant à l’industrie, avec de nombreux cas d’usage en ingénierie des molécules et des matériaux.
C’est dans ce dernier domaine que Pasqal a lancé, en partenariat avec la start-up Rahko, le projet QUACHA (“Quantum Chemistry with Atoms Arrays”).
L’objectif de ce projet de recherche et développement cofinancé par la Région Île-de-France et l’État est “de progresser dans la compréhension des interactions entre certaines classes d’enzymes et leurs substrats, avec des applications pour le développement de médicaments, mais aussi pour la recherche de catalyseurs plus performants dans l’industrie”.
Problème MIS, calcul en HPC et “smart charging”
Au-delà de la simulation scientifique, les processeurs à atomes neutres peuvent être utilisés pour résoudre des problèmes mathématiques difficiles.
Les applications incluent la recherche de solutions approchées à des problèmes d’optimisation combinatoire complexes, la résolution d’équations aux dérivées partielles non linéaires, ou l’amélioration des performances des procédures d’apprentissage automatique.
Pasqal donne l’exemple du problème du stable maximum (MIS, “Maximum Independent Set”).
“Ce problème [d’optimisation], qui a diverses applications directes en conception de réseaux ou en finance, devient difficile à résoudre sur un ordinateur classique lorsque la taille du graphe augmente”, expliquent les chercheurs.
“Résoudre efficacement le problème MIS permettrait de résoudre tout problème d’ordonnancement, avec des applications dans de nombreux domaines (télécommunications, allocation de tâches de calcul en HPC [calcul haute performance], ou encore imagerie satellite pour n’en citer que quelques-unes).”
C’est dans le domaine du “smart charging” (recharge intelligente), où EDF est confronté à des problèmes d’ordonnancement, que Pasqal a trouvé l’un de ses premiers partenaires industriels.
Dans un contexte d’augmentation de la demande, l’entreprise s’intéresse à l’informatique quantique pour optimiser la gestion de ses installations de production d’électricité et l’alimentation de ses stations de recharge de véhicules.
La complexité des problèmes mathématiques de “smart charging” (basés sur la modélisation de l’ensemble des stations et de la demande sur chacune d’entre elles) est telle qu’ils ne peuvent être résolus par un calcul conventionnel.
EDF souhaite donc s’appuyer sur un algorithme d’approximation quantique (QAOA, “Quantum Approximate Optimization Algorithm”). L’objectif du partenariat avec Pasqal est de mettre en œuvre cet algorithme sur le processeur développé par la start-up.
Une levée de fonds pour accélérer
Pasqal a annoncé début juin 2021 une levée de fonds de 25 millions d’euros en provenance du nouveau fonds Innovation Défense, qui doit lui permettre de “faire avancer le développement [de ses] processeurs quantiques analogiques et numériques, renforcer son approche de coconception d’applications, construire son offre de cloud hybride ‘Quantum Computing as a Service’, ainsi qu’initier une expansion internationale.”
Sources
Quantum computing with neutral atoms https://arxiv.org/pdf/2006.12326.pdf
Les atomes neutres ultra-froids : une solution pour la construction de systèmes quantiques https://cordis.europa.eu/article/id/247420-ultracold-neutral-atoms-helped-overcome-the-longstanding-challenge-of-building-quantum-system/fr
