Suprématie quantique expliquée : pourquoi c'est crucial pour l'avenir de l'informatique

Le concept de systèmes quantiques a été proposé pour la première fois par un mathématicien russe, Yuri Manin, en 1980. Cependant, c'est Richard Feynman qui a conçu la possibilité d'ordinateurs quantiques au début des années 1980.

Feynman a proposé que les ordinateurs quantiques seraient efficaces pour résoudre des problèmes de chimie et de physique. Les ordinateurs d'aujourd'hui utilisent la logique binaire pour effectuer des tâches, mais si nous utilisons les règles de la mécanique quantique, de nombreuses tâches computationnelles complexes deviendront faisables.

En 2012, un physicien théoricien américain, John Preskill, a inventé le terme « suprématie quantique » pour décrire un système bien plus avancé que les ordinateurs classiques. Il annonce l'ère des technologies quantiques bruitées à échelle intermédiaire.

Dans cet article de synthèse, nous avons expliqué quelle différence la « suprématie quantique » ferait, ce que les entreprises technologiques ont accompli jusqu'à présent, pourquoi c'est si important. Commençons par les bases.

Qu'est-ce exactement que la suprématie quantique ?

La suprématie quantique est l'objectif de construire un système d'informatique quantique capable de résoudre un problème qu'aucun ordinateur classique ne peut résoudre en un temps raisonnable.

Cela implique la tâche d'ingénierie pour développer une machine quantique puissante ainsi que la tâche théorique de complexité computationnelle pour classer les problèmes computationnels que cet ordinateur quantique peut résoudre.

La suprématie quantique est une étape importante sur la voie de calculs plus puissants et utiles. Plusieurs propositions ont été faites pour démontrer la suprématie quantique. Les plus notables sont :

• Échantillonnage de la sortie de circuits quantiques aléatoires
• Problèmes de boucles de clusters frustrés conçus par D-Wave
• Proposition d'échantillonnage de bosons introduite par Aaronson et Arkhipov

Comment saura-t-on avec certitude que la suprématie quantique a été atteinte ?

Vérifier la suprématie quantique est l'une des tâches les plus délicates. Ce n'est pas comme une explosion nucléaire ou un lancement de fusée, où vous regardez et savez instantanément si cela a réussi.

Vous devez démontrer avec précision deux choses pour vérifier la suprématie quantique :

1. L'appareil quantique effectue des calculs rapidement.
2. Aucun ordinateur classique ne pourrait effectuer efficacement le même calcul.

La seconde partie est assez compliquée. Il s'avère que les ordinateurs classiques peuvent effectuer des types spécifiques de problèmes très efficacement (mieux que les attentes des scientifiques). Jusqu'à ce qu'on ait prouvé qu'un ordinateur classique ne peut pas possiblement effectuer une tâche particulière efficacement, il y a toujours la chance qu'un algorithme classique plus efficace existe. Prouver qu'il n'existe pas un tel algorithme classique pourrait être controversé et prendre beaucoup de temps.

La bataille pour créer un ordinateur quantique

Il y a eu des dispositifs quantiques fonctionnels pendant plusieurs années, mais ils surpassent les ordinateurs classiques seulement sous certaines conditions. La plupart des tâches effectuées par ces machines quantiques ne sont même pas utiles dans la vie quotidienne.

En 2016, Google a développé une simulation quantique entièrement scalable d'une molécule d'hydrogène, en utilisant une puce quantique à 9 qubits. En 2017, Intel a fabriqué une puce de test supraconductrice à 17 qubits pour l'informatique quantique, et IBM a relevé la barre avec une puce à 50 qubits capable de préserver son état quantique pendant 90 microsecondes.

Puce de test supraconductrice à 17 qubits développée par Intel

En 2018, Google a révélé un processeur à 72 qubits nommé Bristlecone, et en 2019, IBM a lancé le premier ordinateur quantique commercial basé sur des circuits, IBM Q System One.

D-Wave Systems, une entreprise canadienne d'informatique quantique bien financée, reste une exception. En 2015, son ordinateur quantique 2X avec plus de 1000 qubits a été installé au laboratoire d'intelligence artificielle quantique de la NASA. L'entreprise a ensuite expédié des systèmes avec 2048 qubits. Leurs dispositifs reposent sur une technique alternative appelée recuit quantique pour résoudre des problèmes très spécifiques.

La grande annonce de Google

Soudainement, fin 2019, des chercheurs de Google ont annoncé qu'ils avaient atteint la suprématie quantique. Ils ont développé un processeur à 54 qubits nommé Sycamore qui a effectué le calcul cible (un calcul d'échantillonnage aléatoire) en 200 secondes.

Selon l'équipe de recherche, un superordinateur classique prendrait 10 000 ans pour effectuer les mêmes calculs. Cette augmentation substantielle de vitesse (comparée aux algorithmes classiques) est une réalisation expérimentale de la suprématie quantique pour cette tâche particulière.

Qu'ont-ils fait ?

Pour démontrer la suprématie quantique, Google a choisi de résoudre un problème particulier appelé « échantillonnage de circuit aléatoire ». Un exemple simple de ce problème est un programme pour simuler le lancer d'un dé équitable.

Le programme s'exécutera correctement s'il échantillonne correctement tous les résultats possibles. Cela signifie que le programme devrait générer chaque nombre du dé 1/6 du temps lors d'exécutions répétées.

Dans un scénario réel, au lieu de placer un dé, un ordinateur doit échantillonner correctement toutes les sorties possibles d'un circuit quantique aléatoire. Cette séquence d'actions est effectuée sur un groupe de qubits. Quand les qubits traversent un circuit, leur état devient intriqué (aussi connu comme superposition quantique).

Par exemple, quand un circuit agit sur 54 qubits, il cause les 54 qubits à être une superposition de 2⁵⁴ états possibles à la fin du circuit. Cela signifie que l'ensemble de 2⁵⁴ possibilités s'effondre en une chaîne de 54 bits. C'est comme lancer un dé, mais au lieu de 6 résultats possibles, vous obtenez 2⁵⁴ résultats, et tous ne sont pas également probables.

La série d'échantillons de ce circuit aléatoire (suivant la distribution appropriée) peut être générée efficacement sur des ordinateurs quantiques. Cependant, il n'y a pas d'algorithme classique pour produire ces échantillons sur des superordinateurs de pointe. Par conséquent, à mesure que le nombre d'échantillons augmente, les superordinateurs numériques sont rapidement submergés par les calculs.

Dans cette expérience, les chercheurs de Google ont exécuté des circuits aléatoires simplifiés de 12 à 53 qubits, en gardant constant le nombre de cycles de portes (portes logiques quantiques). Ils ont ensuite utilisé des simulations classiques pour vérifier la performance de l'ordinateur quantique et l'ont comparée avec un modèle théorique.

Une fois qu'ils ont confirmé que le système fonctionne correctement, ils ont exécuté un circuit aléatoire difficile avec 53 qubits et augmenté les cycles de portes, jusqu'à atteindre un point où la simulation classique devenait impraticable.

Processus pour démontrer la suprématie quantique | Crédit : Google

L'expérience a été réalisée sur une puce programmable à 54 qubits, Sycamore. Elle contient une grille 2D où chaque qubit est attaché à 4 autres qubits, permettant assez de connectivité pour les états de qubits (ils interagissent instantanément à travers le processeur) et la rendant infaisable pour effectuer les mêmes calculs sur des ordinateurs classiques.

Pour atteindre ce niveau de performance, ils ont utilisé un nouveau type de bouton de contrôle qui pouvait désactiver les interactions entre qubits voisins, réduisant significativement les erreurs dans le système multi-connecté. Ils ont également développé de nouveaux calibrages de contrôle pour éviter les défauts de qubits et optimisé la conception de la puce pour réduire le crosstalk, améliorant encore la performance de la puce quantique.

Google a-t-il vraiment atteint la suprématie quantique ?

La puce Sycamore de Google est maintenue au frais dans le cryostat quantique. Crédit : Eric Lucero/Google

Bien que Google ait affirmé avoir atteint la suprématie quantique et qu'un superordinateur classique prendrait environ 10 000 ans pour effectuer la tâche équivalente, IBM a contesté cette affirmation, disant qu'une simulation idéale de la même tâche peut être effectuée sur un ordinateur classique en 2,5 jours avec une fidélité bien plus grande.

L'expérience de Google ne devrait pas être considérée comme la preuve que les dispositifs quantiques sont « suprêmes » sur les ordinateurs classiques. Cependant, elle démontre parfaitement les progrès dans l'informatique quantique supraconductrice, dévoilant des fidélités de portes à l'état de l'art sur un système à 53 qubits.

Les titres contenant une variation de « suprématie quantique atteinte » sont accrocheurs et intéressants à lire, mais ils induisent complètement le public en erreur.

Selon la définition de la suprématie quantique, l'objectif n'a pas été atteint. Et même si quelqu'un la démontre dans un avenir proche, les ordinateurs quantiques ne régneront jamais « en maîtres » sur les ordinateurs classiques. Au lieu de cela, les systèmes quantiques travailleront aux côtés des superordinateurs classiques, car chacun a ses forces et avantages uniques.

Controverse sur le nom

Certains scientifiques ne sont pas d'accord avec le terme « suprématie quantique ». Selon leur perspective, le mot « suprématie » a des connotations de violence, néocolonialisme et racisme par son association avec « suprématie blanche ». Ils ont suggéré que l'expression alternative « avantage quantique » devrait être utilisée à la place.

Cependant, John Preskill, qui a inventé cette expression, a clarifié qu'il voulait souligner que c'est un moment privilégié dans l'histoire où les technologies de l'information basées sur les lois quantiques sont en ascension. Il a aussi expliqué que « suprématie quantique » capture le mieux le point qu'il voulait transmettre. D'autres mots, comme « avantage », manquent du punch de « suprématie ».

Applications et avenir

Les avancées récentes en informatique quantique ont inspiré toute une nouvelle génération d'informaticiens et de physiciens à changer fondamentalement l'aspect de la technologie de l'information.

Actuellement, les scientifiques travaillent sur des machines quantiques tolérantes aux fautes qui pourraient corriger les erreurs de calcul en temps réel, permettant des calculs quantiques sans erreur. Compte tenu de l'état actuel de l'art en informatique quantique, cet objectif est à plusieurs années de réalisation.

Les entreprises technologiques investissent des centaines de millions de dollars pour développer des dispositifs quantiques tolérants aux fautes le plus rapidement possible. Cependant, la grande question est de savoir si les machines quantiques devront être tolérantes aux fautes avant de pouvoir effectuer une tâche utile.

De telles machines promettent une variété d'applications précieuses. Par exemple, l'informatique quantique pourrait améliorer la prévision météorologique, renforcer la cybersécurité, et aider à concevoir de nouveaux matériaux pour les avions et les batteries légères des véhicules. Elle pourrait cartographier précisément les molécules individuelles, ce qui pourrait potentiellement ouvrir des opportunités pour la recherche pharmaceutique.

Elle pourrait aussi avoir un fort impact sur le secteur bancaire. L'informatique quantique pourrait gérer des problèmes financiers liés à l'optimisation de stratégie d'investissement, qui implique l'analyse d'un vaste nombre de combinaisons de portefeuilles pour trouver les meilleurs critères ou reconnaître les transactions frauduleuses.

À l'heure actuelle, il est difficile de prédire quel secteur l'informatique quantique impactera le plus, car elle a été testée sur un ensemble très limité de tâches. Nous devrons être patients pendant quelques années (voire décennies) avant de pouvoir apprécier toute la splendeur de l'ère quantique.