A big home for small science

Un grand centre consacré aux sciences de l’infiniment petit

Un nouveau centre, unique en son genre, mise sur la réputation de chef de file international de la science quantique et de la nanotechnologie de l’Université de Waterloo
20 septembre 2012

Comment ne pas penser à un rucher en voyant la façade à nids-d’abeilles du nouveau Mike and Ophelia Lazaridis Quantum-Nano Centre de l’Université de Waterloo?

Fort de 50 chercheurs, de plus de 100 étudiants de deuxième et troisième cycles et de quelque 500 étudiants de premier cycle, l’installation de 285 000 pieds carrés, qui a ouvert ses portes le 21 septembre 2012, bourdonnera d’activité. Ensemble, ces brillants cerveaux mèneront les recherches qui font déjà la renommée de l’université à l’échelle mondiale – notamment des travaux visant à remplacer l’ordinateur classique à puce de silicium par un ordinateur quantique de pointe.

Même s’ils en sont encore au stade de la planche à dessin, les ordinateurs quantiques pourraient faire entrer l’informatique dans une nouvelle ère en offrant une puissance de calcul super rapide. Les ordinateurs quantiques s’appuient sur la physique quantique et les particules atomiques et subatomiques pour fournir une capacité de calcul grandement supérieure à celle des bits, des octets et des semiconducteurs utilisés dans les ordinateurs actuels. Beaucoup de physiciens et d’informaticiens croient qu’au cours de la prochaine décennie, on mettra au point des ordinateurs quantiques capables de traiter à très haute vitesse de vastes quantités de données. Toutefois, la mécanique quantique et la nanoscience sont des univers délicats à maîtriser, il a donc fallu apporter un très grand soin à la stabilité structurelle et à la régulation de la température lors de la conception du nouveau centre.

« Il fallait dessiner un bâtiment où aucun atome ne risquait d’entrer accidentellement en collision avec un autre, indique Raymond Laflamme, chercheur et directeur général de l’Institut d’informatique quantique (IIQ) qui déménagera dans le centre, tout comme l’Institut de nanotechnologie et le programme de génie nanotechnologique. Quand on sait que la distance entre les atomes représente environ 1/50 000e de l’épaisseur d’un cheveu humain, on mesure l’ampleur du défi.

Or, l’univers de l’informatique quantique est tout sauf stable. Les ordinateurs quantiques stockent l’information dans des bits quantiques — ou « qubits » – plutôt que dans des transistors au silicium. La physique quantique a démontré que ces particules atomiques ou subatomiques, par exemple les électrons et les photons, peuvent exister simultanément dans deux états. Ainsi, au lieu de correspondre soit à 0, soit à 1 selon le principe des algorithmes informatiques actuel, un qubit peut prendre les deux valeurs à la fois, ce qui se traduit par une augmentation exponentielle de la capacité de calcul.

Un processeur de 12 qubits créé à l’IIQ pourrait, en théorie, effectuer 4 056 calculs simultanément et, d’après Raymond Laflamme, une machine de 50 qubits serait capable d’exécuter des tâches impossibles pour le superordinateur le plus perfectionné sur le marché. Les ordinateurs quantiques pourraient couvrir un large éventail de champs d’application, depuis la cryptographie, la chimie et l’informatique jusqu’à la physique quantique et aux mathématiques fondamentales. Grâce à la capacité de calcul des ordinateurs quantiques, il serait possible de percer les codes les plus évolués jamais inventés. En revanche, la cryptographie fondée sur la science quantique permettrait aussi de créer des codes indéchiffrables, même par un ordinateur quantique puissant.

Cependant, la moindre collision, si infime soit-elle, « peut compromettre le stockage d’information dans un atome », explique Raymond Laflamme. Les laboratoires du Quantum-Nano Centre, qui porte les noms du fondateur de Research In Motion et de sa femme et qui est financé en partie par la Fondation canadienne pour l’innovation, sont situés au-dessous du niveau du sol pour minimiser les vibrations. Les fluctuations de température et le rayonnement électromagnétique, qui pourraient déstabiliser les atomes, sont aussi rigoureusement contrôlés.

La course au développement d’ordinateurs quantiques découle en partie de la fin apparemment inévitable de l’application de la loi de Moore. Selon cette loi, du nom du cocréateur d’Intel Gordon Moore, le nombre de transistors sur une puce double tous les deux ans, ce qui en double aussi la capacité de calcul. Cette révolution du transistor a engendré un flot d’ordinateurs, de téléphones cellulaires, d’appareils photo et d’appareils électroniques de toutes sortes plus abordables et plus rapides. Toutefois, il y a des limites à la miniaturisation du transistor.

« La loi de Moore ne s’applique plus quand un transistor parvient à la taille d’un atome », précise Raymond Laflamme. Il espère que lorsque ce seuil sera atteint, on disposera d’un ordinateur quantique exploitable qui ne se contentera pas de reproduire simplement la loi de Moore, mais permettra de la dépasser.

(Mention de source : Peter Kovacs, Institut d’informatique quantique)

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