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Matériel des ordinateurs quantiques

Apprenez le matériel des ordinateurs quantiques avec des QCM : superposition et mesure des qubits, intrication, calculs avec des portes quantiques comme X, H, Z et CNOT, T1, T2 et fidélité des portes, correction d'erreurs quantiques et code de surface, plateformes supraconductrices (transmons), à ions piégés, à atomes neutres, à spins dans le silicium et photoniques, réfrigérateurs à dilution et électronique de commande et de lecture. L'algorithme de Shor et la cryptographie post-quantique sont aussi abordés.

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Matériel des ordinateurs quantiques : points clés

Un ordinateur quantique calcule en utilisant des superpositions de 0 et de 1 et l'intrication quantique. Ses performances ne dépendent pas seulement du nombre de qubits, mais aussi des taux d'erreur des portes, de la durée pendant laquelle les états quantiques peuvent être conservés (le temps de cohérence), de la façon dont les qubits sont connectés et du nombre de qubits que l'on peut consacrer à la correction d'erreurs quantiques.

Après avoir vérifié par de petits calculs les états des qubits, les probabilités de mesure et l'effet des portes quantiques, ce thème couvre T1, T2 et la fidélité, ainsi que les notions de code de surface et de seuil. Il aborde ensuite les défis matériels du passage à l'échelle : forces et faiblesses des qubits supraconducteurs fondés sur les jonctions Josephson, des ions piégés, des atomes neutres, des qubits de spin en silicium, qui peuvent tirer parti de la fabrication CMOS, et des qubits photoniques ; réfrigérateurs à dilution qui refroidissent jusqu'à environ 10 mK ; commande par micro-ondes et lecture dispersive ; cryo-CMOS et charge thermique du câblage. Pourquoi l'algorithme de Shor menace la cryptographie à clé publique, et la cryptographie post-quantique qui y répond, sont aussi traités en lien avec l'échelle du matériel qu'ils exigent.

Toutes les questions sur Matériel des ordinateurs quantiques (40)
  1. Quelle affirmation sur un qubit est correcte ?
  2. Un qubit est dans l'état (√3/2)|0⟩ + (1/2)|1⟩. Quelle est la probabilité d'obtenir 1 lors de sa mesure ?
  3. Quand on représente l'état d'un qubit unique sur la sphère de Bloch, quel état un point de l'équateur représente-t-il ?
  4. Combien d'amplitudes de probabilité (nombres complexes) faut-il pour décrire un état quelconque d'un système de 10 qubits ?
  5. On stocke le vecteur d'état (l'ensemble des amplitudes de probabilité) de 50 qubits dans la mémoire d'un ordinateur classique, sous forme de nombres complexes en double précision de 16 octets chacun. Quelle valeur est la plus proche de la mémoire nécessaire ?
  6. Deux qubits sont dans l'état intriqué (|00⟩ + |11⟩)/√2. Quelle affirmation est correcte ?
  7. Quelle description de l'action d'une porte X sur un qubit est correcte ?
  8. On applique une fois une porte de Hadamard (H) à un qubit dans l'état |0⟩, puis on le mesure. Quelle est la probabilité d'obtenir 1 ?
  9. En partant de l'état à deux qubits |00⟩ (le chiffre de gauche est le premier qubit), on applique une porte H au premier qubit, puis une porte CNOT avec le premier qubit comme contrôle et le second comme cible. Quel est l'état obtenu ?
  10. On applique dans cet ordre les portes H, Z et H à un qubit dans l'état |0⟩, puis on le mesure. Quelle est la probabilité d'obtenir 1 ?
  11. Pourquoi la correction d'erreurs quantiques ne peut-elle pas reprendre directement l'approche classique qui consiste à faire trois copies des données et à prendre un vote majoritaire ?
  12. Quelle description du temps de relaxation énergétique T1 d'un qubit est correcte ?
  13. Quelle description de la relation entre le temps de déphasage T2 et le temps de relaxation énergétique T1 d'un qubit est correcte ?
  14. Un circuit utilise 100 fois de suite une porte à deux qubits dont la fidélité vaut 99,5 % par opération (taux d'erreur de 0,5 %). En supposant que les erreurs surviennent indépendamment, quelle valeur est la plus proche de la probabilité qu'aucune erreur ne se produise ?
  15. Quelle est la raison la plus appropriée pour laquelle on ne peut pas comparer les performances des ordinateurs quantiques uniquement par leur nombre de qubits ?
  16. Quel élément est indispensable pour qu'un qubit supraconducteur (transmon) fonctionne comme qubit ?
  17. Quelle est la raison principale pour laquelle les qubits supraconducteurs sont refroidis à environ 10 à 20 mK dans un réfrigérateur à dilution ?
  18. Pour un qubit supraconducteur de fréquence 5 GHz, quelle valeur est la plus proche de la différence d'énergie hf entre |0⟩ et |1⟩ exprimée en température, hf/k_B ? On prendra la constante de Planck h = 6,63×10⁻³⁴ J·s et la constante de Boltzmann k_B = 1,38×10⁻²³ J/K.
  19. Un qubit de fréquence 5 GHz (hf/k_B ≈ 0,24 K) est en équilibre thermique à une température effective de 50 mK. Quelle valeur est la plus proche du rapport entre les probabilités d'être dans |1⟩ et dans |0⟩, exp(−hf/k_B T) ?
  20. Dans un transmon, la fréquence de la transition |0⟩→|1⟩ vaut 5,0 GHz et l'anharmonicité (fréquence |1⟩→|2⟩ moins fréquence |0⟩→|1⟩) vaut −200 MHz. Quelle est la fréquence de la transition |1⟩→|2⟩ ?
  21. Parmi les facteurs qui limitent le temps de relaxation énergétique T1 des qubits supraconducteurs, lequel est le plus étroitement lié aux procédés de fabrication comme le dépôt de couches minces et le traitement de surface ?
  22. On fait tourner un qubit avec des impulsions micro-ondes accordées sur sa fréquence de résonance, et la fréquence de Rabi (la fréquence d'un aller-retour entre |0⟩ et |1⟩) vaut 10 MHz. Quelle est la durée de l'impulsion π/2 qui amène |0⟩ à une superposition dans laquelle les amplitudes de |0⟩ et |1⟩ ont le même module ?
  23. Quelle description de la lecture dispersive, largement utilisée pour lire les qubits supraconducteurs, est correcte ?
  24. Quel est le but principal du multiplexage en fréquence dans la lecture des qubits supraconducteurs, où plusieurs résonateurs de lecture de fréquences différentes sont connectés à une même ligne de transmission ?
  25. Quelle valeur est la plus proche de la puissance minimale exigée par la limite de Carnot pour extraire 1 µW de chaleur d'un étage à 10 mK et la rejeter à 300 K ?
  26. Quelle description d'un changement des caractéristiques du MOSFET à basse température, à prendre en compte pour concevoir des circuits cryo-CMOS qui font fonctionner l'électronique de commande des qubits vers 4 K, est correcte ?
  27. Quelle description d'un ordinateur quantique à ions piégés est correcte ?
  28. Quelle comparaison des plateformes supraconductrices et à ions piégés est la plus appropriée ?
  29. Quelle description d'un ordinateur quantique à atomes neutres est correcte ?
  30. Quelle est la raison principale pour laquelle on attend des qubits de spin en silicium qu'ils conviennent aux systèmes à grande échelle ?
  31. Pourquoi utilise-t-on pour les qubits de spin en silicium du silicium enrichi en isotope ²⁸Si (silicium isotopiquement purifié) ?
  32. Quelle description de l'informatique quantique photonique, qui utilise des photons comme qubits, est correcte ?
  33. Un code de surface tourné de distance d utilise, pour un qubit logique, d² qubits physiques de données et d² − 1 qubits physiques de mesure qui vérifient les erreurs. Pour d = 15, combien de qubits physiques faut-il pour un qubit logique ?
  34. On suppose que le taux d'erreur logique p_L d'un code de surface peut s'approcher par p_L ∝ (p/p_th)^((d+1)/2), avec le taux d'erreur physique p, le seuil p_th et la distance du code d. Avec p = 0,1 % et p_th = 1 %, quelle valeur est la plus proche du rapport des taux d'erreur logiques quand d passe de 5 à 9 (la valeur pour d = 5 divisée par la valeur pour d = 9) ?
  35. Quelle description du type d'ordinateur quantique appelé NISQ est correcte ?
  36. Pour chercher, parmi 1 million d'éléments rangés sans ordre particulier, l'unique élément qui satisfait une condition, quelle valeur est la plus proche de l'ordre de grandeur du nombre de requêtes (appels à l'oracle) nécessaires à l'algorithme de Grover ?
  37. Une fois que de grands ordinateurs quantiques tolérants aux fautes auront été construits, quels chiffrements devraient voir leur sécurité sérieusement compromise par l'algorithme de Shor ?
  38. Quelle est la principale raison la plus appropriée pour laquelle les ordinateurs quantiques du milieu des années 2020 ne peuvent pas casser RSA-2048 avec l'algorithme de Shor ?
  39. Quelle description de la cryptographie post-quantique (PQC) est correcte ?
  40. Quelle est la raison la plus appropriée de hâter la migration vers la cryptographie post-quantique avant même que de grands ordinateurs quantiques existent ?

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