Lorsque Christian Arenz de l'Arizona State University (ASU) a commencé à enseigner la mécanique quantique, il s'attendait à ce que les nouveaux étudiants aient l'air perdus. Mais après quelques semaines, cette incertitude se transforme souvent en excitation. Arenz, professeur assistant à l'École d'ingénierie électrique, informatique et énergétique, arrivé de Princeton à l'ASU, a vu les étudiants comprendre progressivement le potentiel de l'informatique quantique. C'est un domaine en pleine expansion qui vise à résoudre des problèmes complexes que les superordinateurs actuels ne peuvent pas traiter, et à accélérer le développement de nouveaux médicaments, améliorer la cybersécurité et la modélisation financière.
À l'ASU, les scientifiques ont déjà appliqué l'informatique quantique pour accélérer la découverte de matériaux, optimiser la logistique des chaînes d'approvisionnement et développer de nouvelles méthodes d'intelligence artificielle. Ils s'attaquent également aux défis technologiques sous-jacents pour rendre la technologie quantique plus pratique.
« Quand les gens entendent le mot 'quantique', ils pensent : 'Oh, ça doit être extrêmement complexe, mathématiquement difficile' », dit Arenz. « Cela dépend beaucoup de la motivation et de l'approche... Tout le monde peut apprendre. »
Bien que l'informatique quantique en soit encore au stade expérimental, l'intérêt mondial croît rapidement. Selon un rapport de McKinsey, l'informatique quantique pourrait générer jusqu'à 72 milliards de dollars de revenus d'ici 2035.
Les ordinateurs quantiques sont coûteux à fabriquer et à entretenir — on estime leur coût à plusieurs dizaines de millions de dollars — et ils sont extrêmement complexes. L'ASU ne possède pas son propre ordinateur quantique, mais grâce au soutien du Bureau de la recherche et de la technologie, les chercheurs et les étudiants peuvent utiliser des outils pour simuler des algorithmes d'informatique quantique sur des ordinateurs haute performance classiques, et potentiellement se connecter à distance à un ordinateur quantique, explique Gil Speyer, directeur de l'Accélérateur de recherche informatique de l'ASU.
L'université dirige également une organisation de coopération quantique qui relie des laboratoires nationaux, des entreprises, des institutions académiques et des start-ups. Grâce à cette collaboration, les étudiants bénéficient directement d'opportunités de formation et d'éducation de premier ordre, acquérant les compétences nécessaires pour être à la pointe de l'innovation quantique.
L'ASU s'engage à former les talents dans le domaine quantique. Le cours d'introduction d'Arenz fait partie d'une série de cours, et de nombreux projets sur le campus, y compris des programmes de recherche et des séminaires visant à former la prochaine génération de scientifiques quantiques.
Soutenir la découverte des étudiants
La plupart des étudiants qui suivent le cours de Gennaro De Luca n'ont aucune expérience quantique au départ. Il est enseignant à l'École d'informatique et d'intelligence augmentée, et son cours va des bases de l'informatique quantique jusqu'à son propre domaine de recherche — les modèles génératifs quantiques. Pour introduire les concepts, il commence par les chats.
De Luca guide les étudiants dans un exercice mental : si l'on ne reçoit qu'un ensemble limité d'images de chats, comment générer de nouvelles images de chats ? Essentiellement, un modèle génératif analyse les motifs de détails (fourrure, forme et couleur) pour produire de nouvelles images de chats. « En théorie, un ordinateur quantique peut apprendre à partir de moins d'images qu'un ordinateur classique », dit De Luca.
Ses étudiants utilisent les ressources de l'université pour des projets quantiques, allant de projets éducatifs simplifiant l'apprentissage automatique quantique, à la construction d'une voiture robotique Lego entièrement contrôlée par un algorithme de traitement d'images quantique.Ses étudiants utilisent les ressources universitaires pour mener des projets quantiques — allant de programmes éducatifs simplifiant l'apprentissage automatique quantique à la construction d'une voiture Lego entièrement contrôlée par des algorithmes de traitement d'images quantiques. L'un des outils qu'ils utilisent est le logiciel CUDA-Q de Nvidia, qui exploite la puissance de traitement accéléré des puces spécialisées (GPU). CUDA-Q peut simuler un environnement quantique et fonctionner sur un ordinateur portable, ou être utilisé pour des projets de grande envergure sur le superordinateur Sol de l'ASU — l'un des superordinateurs les plus puissants au monde, près de 2000 fois plus performant qu'un ordinateur portable moderne. De plus, CUDA-Q prend en charge l'accès via le cloud à de véritables plateformes de calcul quantique, par exemple les ordinateurs quantiques d'IBM.
Un autre outil est la carte accélératrice appelée Vector Engine, qui simule « une plateforme de calcul quantique dédiée à l'optimisation quantique », selon Speyer. Cet outil a récemment été utilisé par une équipe de recherche du département de gestion de la chaîne d'approvisionnement de la W. P. Carey School of Business pour résoudre des problèmes de logistique de transport.
À l'intérieur d'un ordinateur quantique
Dans les ordinateurs classiques (des téléphones aux superordinateurs), toutes les informations sont stockées sous forme de bits, chaque bit étant soit 0 soit 1. Les ordinateurs quantiques utilisent quant à eux des qubits (bits quantiques). Les qubits peuvent non seulement représenter 0 ou 1, mais aussi se trouver simultanément dans ces deux états — comme une pièce en l'air, qui pourrait être face ou pile — ce que l'on appelle la superposition. Les qubits peuvent également être intriqués, c'est-à-dire corrélés entre eux dans un état de superposition. Ces propriétés permettent aux ordinateurs quantiques d'effectuer un grand nombre de calculs simultanément, avec une amélioration exponentielle potentielle des performances.
Découverte de matériaux ultra-résistants
La découverte de nouveaux matériaux nécessite généralement des années d'essais et d'erreurs. À l'École d'ingénierie de la matière, du transport et de l'énergie de l'ASU, le professeur associé Houlong Zhuang utilise le calcul quantique pour accélérer considérablement ce processus. Ces dernières années, il a appliqué cette technologie émergente pour développer des alliages à haute entropie — des matériaux qui ne fondent ni ne s'affaiblissent sous des températures, contraintes et radiations extrêmes, souvent utilisés dans des systèmes de défense avancés tels que les véhicules hypersoniques et les sous-marins nucléaires. Le calcul quantique peut considérablement accélérer la conception et la production de nouveaux matériaux en laboratoire. « Normalement, une simulation prend plusieurs semaines ; avec une stratégie hybride, elle ne prend plus que quelques jours », explique Zhuang. Avec le développement du calcul quantique, « idéalement, on pourrait réduire quelques jours à un jour, voire quelques heures. » Zhuang applique également ces méthodes à la recherche sur la durabilité, à la recherche de matériaux capables de capturer le dioxyde de carbone, de stocker et transporter l'hydrogène, et de développer de nouveaux semi-conducteurs pour la conversion de l'énergie solaire.
Rendre la technologie quantique plus accessibleD'autres chercheurs de l'ASU se concentrent sur l'amélioration de la technologie elle-même. Les ordinateurs quantiques sont sujets aux erreurs, leurs systèmes sont extrêmement complexes et fragiles, et ils sont sensibles au bruit (comme les vibrations matérielles, les variations de température, les rayons cosmiques, etc.). Arenz étudie la suppression du bruit, ce qui pourrait améliorer la fiabilité des ordinateurs quantiques. Le matériel quantique est également physiquement complexe, nécessitant souvent de refroidir les processeurs à des températures inférieures à celles de l'espace lointain. Tijana Rajh, doyenne de l'École des sciences moléculaires, soutient la construction d'ordinateurs quantiques qui n'ont pas besoin de températures extrêmement basses. Sous sa direction, le professeur adjoint Justin Earley s'intéresse à la conception et à la fabrication de dispositifs quantiques fonctionnant à température ambiante. Earley étudie les qubits fabriqués à partir de molécules – ces qubits moléculaires pourraient fonctionner à des températures plus élevées, faisant ainsi passer la technologie quantique du laboratoire à la réalité. « Nous devons commencer à réfléchir à la manière de nous affranchir de ces températures ultra-basses, sinon cela deviendra irréalisable en raison des ressources et des coûts élevés », déclare Earley. Il est également enthousiaste quant à l'application de la technologie quantique dans le domaine de la santé : les capteurs quantiques pourraient être utilisés à l'avenir pour le diagnostic médical, en détectant les maladies plus tôt que les technologies actuelles.
Faire face à la pénurie de main-d'œuvre
Comme d'autres chercheurs en quantique de l'ASU, Earley collabore avec des étudiants à tous les niveaux, des stagiaires lycéens aux doctorants, pour les aider à surmonter leurs premières appréhensions et à mener à bien des projets qui approfondissent leur compréhension et favorisent des applications pratiques.