Atomes neutres : comment QuEra et Harvard construisent des ordinateurs quantiques avec des lasers

Chaque ordinateur quantique dont vous avez lu parler sur ce blogue vit à l’intérieur d’un réfrigérateur. La Willow de Google repose dans un réfrigérateur à dilution plus froid que l’espace profond, et les machines à ions piégés se trouvent dans des chambres à vide enveloppées de lasers. Un groupe de physiciens plus discret mise sur une troisième voie : arracher des atomes individuels à une vapeur, retenir chacun dans un faisceau de lumière et les disposer en une grille qui ressemble à un spectacle de lumières de stade.

Avant de lire : Le qubit logique, un qubit fiable construit à partir de plusieurs qubits physiques fragiles, est l’idée sur laquelle repose cet article. Nous avons couvert la démonstration de Microsoft et Quantinuum dans Le qubit logique : s’échapper du bruit quantique. Ce texte suit une autre voie matérielle vers une destination semblable.

Table des matières

• Des atomes comme qubits, des lasers comme fils
• Pourquoi perdre le réfrigérateur compte
• Harvard et QuEra passent au logique
• La taxe de vitesse
• Le bilan honnête
• Sources

Des atomes comme qubits, des lasers comme fils

Un atome neutre n’a pas de charge électrique nette, d’où son nom. Les chercheurs choisissent généralement du rubidium ou du césium, refroidissent les atomes à quelques microkelvins à l’aide de lasers et les capturent dans des pinces optiques : des faisceaux fortement focalisés qui agissent comme des doigts invisibles. En déplaçant les faisceaux, on réorganise les atomes selon la géométrie que l’algorithme exige. L’intrication se produit lorsqu’on excite un atome vers un état de Rydberg, où son électron externe s’éloigne tellement du noyau que l’atome gonfle à des milliers de fois sa largeur normale. Ce gonflement permet aux atomes voisins de s’influencer assez fortement pour exécuter une porte.

Le cœur de cette machine est essentiellement un spectacle laser. C’est soit le futur de l’informatique, soit l’économiseur d’écran le plus cher jamais construit.

Le saviez-vous? Le rubidium utilisé dans plusieurs de ces machines est le même que celui des horloges atomiques qui synchronisent les satellites GPS.

Pourquoi perdre le réfrigérateur compte

Les puces supraconductrices ont besoin de réfrigérateurs à dilution pour rester autour de 10 à 15 millikelvins, et l’enchevêtrement de câbles qui empêche les ingénieurs du supraconducteur de dormir vient directement de ce froid. Les machines à atomes neutres gardent aussi leurs atomes au froid, mais l’enceinte à vide qui les entoure peut être à la température de la pièce. Le matériel de contrôle se compose de lasers, de miroirs et de déflecteurs acousto-optiques. Encombrant, oui, mais cela se met à l’échelle avec l’optique, et non avec un million de câbles coaxiaux enfilés dans un montage qui ressemble à un lustre.

En 2024, une équipe de Caltech a rapporté un réseau de pinces bidimensionnel retenant 6 100 atomes, chacun étant un qubit dont la cohérence se mesure en secondes. Le titre n’est pas le nombre d’atomes. C’est qu’ils sont restés cohérents assez longtemps pour être utiles, précisément le point où la plupart des matériels quantiques peinent encore.

Harvard et QuEra passent au logique

Le résultat sur atomes neutres le plus cité vient d’une collaboration entre Harvard, le MIT et QuEra. Leur article dans Nature décrit un processeur logique construit à partir de 280 atomes physiques, qui encodait 48 qubits logiques. Ces chiffres sont impressionnants, mais la réserve compte davantage. Une bonne partie de ce travail reposait sur la détection d’erreurs et la postsélection : les essais où une erreur survenait étaient écartés, et seuls les survivants étaient analysés. C’est une façon légitime de montrer qu’un état logique est vivant. Ce n’est pas la même chose que corriger les erreurs en continu pendant qu’un calcul avance à travers des centaines d’étapes.

En 2025, le groupe de Harvard a rapporté un réseau de 3 000 qubits en fonctionnement pendant plus de deux heures. Les atomes s’échappent de leurs pièges. Parfois, ils disparaissent simplement en plein calcul, ce qui est un choix de conception audacieux pour un ordinateur. Recharger les atomes perdus à la volée est ce qui a rendu cette durée de fonctionnement possible.

La taxe de vitesse

Les atomes ont un prix. Les portes supraconductrices se terminent en quelques dizaines de nanosecondes, alors que les opérations sur atomes neutres prennent des microsecondes, et chaque reconfiguration du réseau de pinces ajoute un surcoût que les puces supraconductrices ne paient jamais. La correction d’erreurs consomme d’énormes quantités de portes par opération logique, si bien qu’une porte lente se transforme en algorithme lent. Je pense que c’est le goulot d’étranglement à surveiller, bien plus que le nombre de qubits qui fait briller les communiqués de presse.

Le bilan honnête

Les atomes neutres offrent la voie la plus convaincante vers un grand nombre de qubits que j’aie vue, et le travail sur le fonctionnement continu relève d’une véritable prouesse d’ingénierie, pas d’un coup médiatique. Mais, à ma connaissance des résultats publiés, aucune machine à atomes neutres n’a encore exécuté un calcul long et corrigé en cours de route qui impressionnerait un cryptographe. Garder une grille d’atomes stable pendant deux heures est une image remarquable. Briser RSA exige de la tenir stable beaucoup plus longtemps, et avec beaucoup moins d’erreurs.

Sources

• Bluvstein et al., Logical quantum processor based on reconfigurable atom arrays, Nature (2024)
• Manetsch et al., A tweezer array with 6,100 highly coherent atomic qubits, Caltech (2024)
• Gao et al., Continuous operation of a coherent 3,000-qubit system, Harvard et QuEra (2025)
• U.S. Naval Observatory, documentation sur le synchronisme GPS et les horloges atomiques au rubidium