Le calcul quantique est salué comme une force révolutionnaire de la prochaine génération technologique, promettant de résoudre des problèmes complexes que les supercalculateurs classiques ne peuvent traiter et d’apporter des avancées dans des domaines comme la santé, la découverte de matériaux, l’optimisation de la chaîne d’approvisionnement et l’intelligence artificielle. Les chercheurs et les étudiants de l’Arizona State University (ASU) se trouvent à la pointe de la technologie quantique, faisant progresser le calcul quantique du concept vers l’application pratique grâce à l’innovation pédagogique, à la collaboration interdisciplinaire et aux recherches de pointe.
De la confusion à l’excitation : l’attrait de l’enseignement quantique
Dans les cours de mécanique quantique de l’ASU, la première expérience des étudiants est souvent la confusion. Cependant, après quelques semaines, cette confusion se transforme souvent en enthousiasme. Christian Arenz, professeur issu de Princeton, souligne que le calcul quantique, bien qu’il semble très avancé, n’est pas hors de portée. Il insiste : avec de bonnes méthodes pédagogiques et un état d’esprit positif, chacun peut maîtriser les bases du calcul quantique. Plus important encore, le secteur quantique est confronté à une grave pénurie de talents ; même si les étudiants ne travaillent pas dans le quantique à l’avenir, les capacités de réflexion et la culture technique développées grâce à cette expérience d’apprentissage sont d’une valeur inestimable.
Pour ce faire, l’ASU a construit un système complet d’enseignement quantique, comprenant une série de cours, de projets de recherche et de séminaires spécialisés. Parallèlement, le programme « Quantum Collaborative », dirigé par l’ASU, relie étroitement laboratoires nationaux, géants de l’industrie, institutions académiques et start-ups, offrant aux étudiants des opportunités de participer directement à l’innovation quantique et les formant à devenir les futurs scientifiques et ingénieurs quantiques.
Calcul quantique : une synergie avec le calcul classique, plutôt qu’un remplacement
Bien que le calcul quantique ait un immense potentiel, les experts estiment qu’il ne remplacera pas les ordinateurs classiques que nous utilisons au quotidien. Au contraire, le futur de l’informatique verra des ordinateurs quantiques et des ordinateurs classiques travailler en synergie pour résoudre ensemble des problèmes actuellement inaccessibles. L’intérêt mondial pour le calcul quantique s’intensifie rapidement. Selon les prévisions de McKinsey, d’ici 2035, le marché du calcul quantique pourrait générer jusqu’à 72 milliards de dollars de revenus annuels.
L’ASU ne possède pas encore son propre ordinateur quantique, mais cela n’a pas entravé l’avancée des chercheurs. Grâce au soutien du bureau des technologies de la recherche, les chercheurs peuvent utiliser des outils de simulation pour exécuter des algorithmes quantiques sur le supercalculateur Sol de l’ASU et accéder à distance à de véritables plateformes quantiques, notamment celles d’IBM. Le supercalculateur Sol est environ 2000 fois plus puissant qu’un ordinateur portable ordinaire ; associé au logiciel CUDA-Q de Nvidia, il fournit une capacité de calcul considérable pour la recherche quantique. En outre, une carte accélératrice nommée Vector Engine a été introduite, spécialement conçue pour la simulation de problèmes d’optimisation quantique, offrant ainsi un outil puissant pour des applications pratiques telles que la gestion de la chaîne d’approvisionnement.
Innovation étudiante : rendre la technologie quantique à portée de main
Dans les salles de classe de l'ASU, les enseignants savent expliquer des concepts abstraits avec des exemples vivants. Par exemple, le professeur Gennaro De Luca utilise l'exercice de réflexion « générer de nouvelles images de chats » pour aider les étudiants à comprendre les principes de base des modèles génératifs quantiques. En théorie, les ordinateurs quantiques peuvent apprendre à partir de moins d'échantillons, et cet avantage rend les modèles génératifs quantiques très prisés. Les étudiants de De Luca ont utilisé les ressources fournies par l'université pour mener à bien des projets quantiques passionnants — certains ont créé des outils pédagogiques simplifiant les concepts de l'apprentissage automatique quantique, d'autres ont construit une voiture robotique Lego contrôlée par des algorithmes de traitement d'images quantiques. Ces projets ont non seulement approfondi la compréhension qu'ont les étudiants de l'informatique quantique, mais ont également démontré le potentiel d'application pratique des technologies quantiques.
Dans le domaine de la gestion de la chaîne d'approvisionnement, l'équipe de recherche de l'ASU a récemment utilisé la carte accélératrice Vector Engine pour résoudre une série de problèmes d'optimisation liés à la logistique de transport, validant ainsi la valeur de l'informatique quantique dans la planification complexe.
À la découverte de l'ordinateur quantique : bits, superposition et intrication
Dans un ordinateur classique, l'information est mesurée en bits, chaque bit représentant 0 ou 1. L'ordinateur quantique, lui, utilise des qubits. Grâce à l'effet de superposition quantique, un qubit peut être simultanément dans les états 0 et 1. C'est comme une pièce de monnaie en rotation, qui peut retomber sur pile ou sur face. Plus étonnant encore, plusieurs qubits peuvent former un état intriqué, étroitement liés les uns aux autres. Ce sont ces propriétés uniques qui permettent à l'ordinateur quantique d'effectuer un grand nombre de calculs en parallèle, offrant ainsi une accélération exponentielle pour résoudre certains problèmes.
Accélérer la découverte de matériaux : des alliages à haute entropie aux énergies vertes
À l'École d'ingénierie et de science des matériaux de l'ASU, le professeur associé Houlong Zhuang utilise l'informatique quantique pour accélérer le processus de découverte de nouveaux matériaux. La recherche de matériaux traditionnelle nécessite souvent des essais répétés et prend des années. La simulation quantique peut considérablement raccourcir ce processus. Les recherches de Zhuang portent sur les alliages à haute entropie, qui présentent une excellente stabilité dans des environnements extrêmes de température, de pression et de rayonnement, et qui sont couramment utilisés dans les véhicules hypersoniques, les sous-marins nucléaires et d'autres systèmes de défense avancés. Grâce à des stratégies de calcul hybrides quantiques-classiques, des simulations qui prenaient plusieurs semaines ne nécessitent plus que quelques jours, et pourraient à l'avenir être réduites à quelques heures. Son travail s'étend également au domaine du développement durable, notamment la recherche de matériaux pour capturer efficacement le dioxyde de carbone, résoudre les problèmes de stockage et de transport de l'hydrogène, et développer de nouveaux semi-conducteurs solaires. Les recherches exceptionnelles de Zhuang lui ont valu une bourse de carrière de 537 000 $ décernée par la National Science Foundation (NSF) des États-Unis.
Surmonter les défis techniques : rendre l'informatique quantique plus pratique
Le développement de l'informatique quantique reste confronté à de nombreux défis techniques. La fragilité des systèmes quantiques les rend sensibles aux interférences du bruit — qu'il s'agisse de faibles vibrations du matériel, de fluctuations de température ou de rayons cosmiques, tout peut entraîner des erreurs de calcul. Le professeur Christian Arenz se consacre à la recherche sur la suppression et l'atténuation du bruit afin d'améliorer la fiabilité des ordinateurs quantiques.De plus, de nombreux processeurs quantiques doivent être refroidis à des températures plus basses que celles de l'espace extra-atmosphérique pour fonctionner, ce qui entraîne des coûts et une consommation d'énergie considérables. À l'École des sciences moléculaires de l'ASU, la doyenne Tijana Rajh soutient activement le professeur Justin Earley et d'autres chercheurs dans l'exploration des bits quantiques (qubits) à base de molécules. Les qubits moléculaires pourraient fonctionner dans des conditions plus douces, abaissant ainsi le seuil d'accès au calcul quantique. Earley estime que ce n'est qu'en se libérant de l'environnement cryogénique que la technologie quantique pourra véritablement se démocratiser. Il a également mentionné que les capteurs quantiques offrent de vastes perspectives dans le domaine du diagnostic médical, avec l'espoir de permettre à l'avenir une détection ultra-précoce des maladies.
Former la main-d'œuvre quantique : du lycée au doctorat
La recherche quantique à l'ASU ne se limite pas aux laboratoires ; elle s'étend à chaque étape de la formation des talents. Des lycéens aux doctorants, les chercheurs collaborent étroitement avec les étudiants, les aidant à surmonter leurs appréhensions initiales et à s'investir activement dans l'exploration des technologies quantiques. Le professeur Justin Earley en fait partie ; il encadre des étudiants de divers horizons et contribue avec eux à faire passer la technologie quantique des laboratoires à de véritables applications industrielles.
Dans la vague de l'informatique quantique, l'ASU fait de l'éducation son socle, de la recherche son moteur et de la collaboration son pont, formant sans cesse de nouveaux talents pour la révolution quantique mondiale. Cet été, les scientifiques de l'ASU sont à la pointe du quantique, écrivant avec intelligence et labeur un nouveau chapitre de l'ère quantique.