Un ordinateur quantique stocke des données dans des vibrations comme des notes de guitare

Dans une puce aux dimensions comparables à un ongle, un ordinateur quantique conserve des données sous forme de vibrations microscopiques, une avancée qui pourrait transformer la conception de ces machines.

Habituellement, un ordinateur quantique ne fait pas penser à un instrument de musique. Pourtant, dans une puce conçue à l’ETH Zurich, l’information est stockée dans des vibrations qui se comportent un peu comme des notes résonnant sur une guitare.

Ces vibrations sont inaudibles et se produisent à des fréquences extrêmement élevées au sein de résonateurs mécaniques microscopiques. Des paquets d’énergie vibratoire, appelés phonons, transportent l’information quantique. La puce expérimentale mesure environ 7,5 millimètres de long, 2,5 millimètres de large et 1 millimètre d’épaisseur, soit à peu près la taille d’un petit ongle.

Dirigée par le physicien quantique Yiwen Chu, l’équipe a utilisé ces résonateurs comme mémoire de travail reliée à un processeur quantique supraconducteur. Publiés dans Science, leurs résultats démontrent une organisation différente d’un ordinateur quantique, plus proche de la structure fondamentale des ordinateurs classiques actuels.

« L’interaction entre le processeur quantique et la mémoire quantique constitue une base essentielle pour établir les ordinateurs quantiques comme un moyen puissant et fiable d’effectuer des calculs impossibles avec des ordinateurs classiques », explique Yiwen Chu.

Un modèle emprunté au CPU et à la RAM

La plupart des systèmes quantiques ne distinguent pas clairement le calcul de la mémoire. Le traitement et le stockage de l’information sont souvent intégrés dans le même matériel, ce qui complique l’extension de la machine sans ajouter des composants encombrants.

L’équipe de Chu a repris un concept familier de l’informatique classique. Dans un ordinateur digital, une unité centrale de traitement (CPU) réalise les calculs tandis que la mémoire vive (RAM) conserve temporairement les données. Cette séparation permet au processeur d’accéder aux informations uniquement quand c’est nécessaire, sans obliger chaque partie du système à exécuter toutes les tâches.

L’architecture quantique expérimentale suit un principe similaire. Un qubit supraconducteur joue le rôle de processeur et d’unité de contrôle, tandis que des résonateurs mécaniques stockent l’information quantique pendant le calcul.

« Dans notre mémoire de travail quantique, l’information n’est pas stockée électromagnétiquement, comme c’est généralement le cas aujourd’hui, mais sous forme de vibrations mécaniques », précise Chu.

Le fonctionnement de la mémoire quantique vibratoire

Un qubit diffère fondamentalement d’un bit classique, qui représente soit 0 soit 1. Les états quantiques peuvent exister en superpositions et s’intriquer entre eux. Ces propriétés pourraient permettre aux ordinateurs quantiques de résoudre certains problèmes plus efficacement que les machines classiques, bien que la construction de matériel capable de préserver et contrôler ces états délicats reste un défi majeur.

Le système de l’ETH Zurich stocke l’information dans des modes vibratoires spécifiques à l’intérieur des résonateurs. Lorsque le processeur en a besoin, le qubit supraconducteur interagit avec le mode sélectionné, modifie son état quantique, puis le renvoie en mémoire.

Cela crée une répartition des tâches entre deux technologies aux forces complémentaires. Les qubits supraconducteurs réalisent des opérations rapides et fournissent le comportement non linéaire nécessaire à la logique quantique. Les résonateurs mécaniques sont compacts, supportent de nombreux modes vibratoires distincts et peuvent conserver les états quantiques pendant des durées relativement longues.

De nombreux dispositifs actuels utilisent des résonateurs électromagnétiques comme mémoire, car ils peuvent être contrôlés avec une précision exceptionnelle et fonctionnent bien avec les circuits supraconducteurs. Leur taille pose toutefois problème lorsque les ingénieurs tentent d’intégrer un nombre croissant d’éléments mémoire et de qubits sur une puce.

Une mémoire plus petite avec une capacité accrue

Les résonateurs mécaniques peuvent concentrer de nombreux modes dans un espace beaucoup plus réduit. Chaque mode peut servir de lieu distinct pour stocker l’information, offrant à un seul composant l’accès à plusieurs emplacements mémoire, contrairement à la nécessité d’un dispositif électromagnétique individuel par emplacement.

Les chercheurs ont démontré expérimentalement que ces modes mécaniques font plus que conserver passivement l’information quantique. Lorsqu’ils sont couplés à un qubit supraconducteur, ils peuvent participer à une architecture programmable capable d’exécuter des calculs quantiques. L’étude constitue une preuve de principe, non un ordinateur commercial abouti, mais elle montre que la mémoire basée sur les vibrations peut servir de ressource computationnelle pratique.

Pour tester leur conception, les chercheurs ont mis en œuvre deux procédures majeures : la transformée de Fourier quantique et la recherche de période quantique.

« La transformée de Fourier quantique est une procédure computationnelle fondamentale requise pour de nombreux algorithmes quantiques. L’algorithme de recherche de période que nous avons réalisé a servi à démontrer comment cette procédure peut être utilisée », explique Igor Kladaric, doctorant dans l’équipe de Chu et coauteur de la publication.

Tester une architecture quantique programmable

La transformée de Fourier quantique permet de révéler des motifs cachés dans des données quantiques et constitue un élément clé de plusieurs algorithmes majeurs. La recherche de période applique cette procédure pour identifier des structures mathématiques répétitives. Elle est étroitement liée à certains des usages potentiels les plus discutés de l’informatique quantique.

Ces deux tests ont exigé que le système prépare, stocke, connecte et manipule précisément plusieurs états quantiques. L’architecture devait également transférer l’information entre le processeur et différents modes de mémoire mécanique sans détruire la cohérence nécessaire au calcul. Les démonstrations réussies ont prouvé que le système pouvait réaliser des opérations de phase contrôlées et relier des états stockés dans sa mémoire disponible.

En principe, cette architecture comprend les opérations essentielles pour un calcul quantique à usage général. Cela ne signifie pas que la puce surpasse déjà les ordinateurs classiques. Son intérêt réside dans la démonstration qu’un processeur peut contrôler un ensemble compact de modes de mémoire mécanique et les utiliser pour exécuter des algorithmes programmables.

Le prochain défi est l’échelle. Un ordinateur quantique utile nécessiterait beaucoup plus de mémoire, une puissance de calcul accrue, des taux d’erreur faibles et un contrôle fiable sur un ensemble beaucoup plus vaste d’états quantiques. Les chercheurs doivent maintenant vérifier si les résonateurs mécaniques conservent leurs avantages à mesure que l’architecture se développe.

Référence : « Mechanical resonator–based quantum computing » par Yu Yang, Igor Kladarić, Martynas Skrabulis, Michael Eichenberger, Stefano Marti, Simon Storz, Jonathan Esche, Raquel García Bellés, Max-Emanuel Kern, Andraz Omahen, Arianne Brooks, Marius Bild, Matteo Fadel et Yiwen Chu, 28 mai 2026, Science. DOI : 10.1126/science.aef4139