Qu'est-ce que la suprématie quantique ? Et pourquoi est-ce important ?

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.

Feynmann 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 de calcul complexes deviendront réalisables.

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

Dans cet article de vue d'ensemble, nous avons expliqué et quelle différence ferait la « suprématie quantique », ce que les entreprises technologiques ont réalisé jusqu'à présent, pourquoi est-ce une affaire si énorme. Commençons par les bases.

Qu'est-ce que la suprématie quantique exactement ?

La suprématie quantique est l'objectif de construire un système informatique quantique qui peut résoudre un problème qu'aucun ordinateur classique ne peut résoudre dans un laps de temps raisonnable.

Cela implique la tâche d'ingénierie pour développer une puissante machine quantique ainsi que la tâche de théorie de la complexité computationnelle pour classer les problèmes de calcul qui peuvent être résolus par cet ordinateur quantique.

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

• Échantillonnage de la sortie d'un circuit quantique aléatoire
• Problèmes de boucle de cluster frustrés conçus par D-Wave
• Proposition d'échantillonnage de boson présentée par Aaronson et Arkhipov

Comment saurons-nous 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 deuxième 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 que l'on ait prouvé qu'un ordinateur classique ne peut pas effectuer une tâche particulière efficacement, il y a toujours une chance qu'un algorithme classique plus efficace et meilleur existe. Prouver qu'il n'existe pas d'algorithme classique de ce type pourrait être controversé, et cela pourrait prendre beaucoup de temps.

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La bataille de la fabrication d'un ordinateur quantique

Des dispositifs quantiques fonctionnent depuis plusieurs années, mais ils ne surpassent les ordinateurs classiques que sous certaines conditions. La plupart des tâches effectuées par ces machines quantiques ne sont même pas utiles dans la vie de tous les jours.

En 2016, Google a développé une simulation quantique entièrement évolutive d'une molécule d'hydrogène, à l'aide d'une puce quantique de 9 qubits. En 2017, Intel a fabriqué une puce de test supraconductrice de 17 qubits pour l'informatique quantique, et IBM a placé la barre plus haut avec une puce de 50 qubits qui pourrait préserver son état quantique pendant 90 microsecondes.

Puce de test supraconductrice de 17 qubits développée par Intel

En 2018, Google a dévoilé un processeur de 72 qubits nommé Bristlecone, et en 2019, IBM a lancé le premier ordinateur quantique commercial au monde à base de 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 dans le laboratoire d'intelligence artificielle quantique de la NASA. La société a livré des systèmes de sous-séquence avec 2048 qubits. Leurs appareils reposent sur une technique alternative appelée recuit quantique pour résoudre des problèmes très spécifiques.

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Grande annonce de Google 

À l'improviste, fin 2019, les chercheurs de Google ont annoncé avoir atteint la suprématie quantique. Ils ont développé un processeur de 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 la vitesse (par rapport 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 circuits aléatoires ». Un exemple simple de ce problème est un programme pour simuler le lancer d'un dé équitable.

Le programme fonctionnera avec précision s'il échantillonne de manière appropriée tous les résultats possibles. Cela signifie que le programme doit générer chaque nombre sur le dé 1/6e du temps lorsqu'il est exécuté à plusieurs reprises.

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 tas de qubits. Lorsque les qubits traversent un circuit, leur état devient intriqué (également connu sous le nom de superposition quantique).

Par exemple, lorsqu'un circuit agit sur 54 qubits, il fait que 54 qubits sont une superposition de 2 ⁵⁴ états possibles en fin de circuit. Cela signifie l'ensemble de 2 ⁵⁴ possibilités se réduit en une chaîne de 54 bits. C'est comme lancer un dé, mais au lieu de 6 résultats possibles, vous obtenez 2 ⁵⁴ résultats, et tous ne sont pas également susceptibles de se produire.

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

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

Une fois qu'ils ont confirmé que le système fonctionnait correctement, ils ont exécuté un circuit dur aléatoire avec 53 qubits et des cycles de porte accrus, jusqu'à ce qu'ils atteignent un point où la simulation classique est devenue impraticable.

Processus de démonstration de la suprématie quantique | Crédit :Google 

L'expérience a été réalisée sur une puce de 54 qubits complètement programmable, Sycamore. Il contient une grille 2D où chaque qubit est attaché à 4 autres qubits, permettant une connectivité suffisante pour les états des qubits (donc ils interagissent instantanément dans tout le processeur) et rendant impossible d'effectuer les mêmes calculs sur des ordinateurs classiques.

Pour atteindre ce niveau de performance, ils ont utilisé un nouveau type de bouton de commande qui pouvait désactiver les interactions entre les qubits proches, réduisant considérablement les erreurs dans le système qubit multi-connecté. Ils ont également développé de nouveaux étalonnages de contrôle pour éviter les défauts de qubit et optimisé la conception de la puce pour réduire la diaphonie, ce qui a encore amélioré les performances de la puce quantique.

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

La puce Sycomore de Google est conservée au frais à l'intérieur du cryostat quantique. Crédit image :Eric Lucero/Google 

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

L'expérience de Google ne doit pas être considérée comme la preuve que les appareils quantiques sont « suprême » sur les ordinateurs classiques. Cependant, il démontre parfaitement les progrès de l'informatique quantique supraconductrice, dévoilant des fidélités de grille de pointe sur un système de 53 qubits.

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

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

Controverse sur les noms

Certains scientifiques ne sont pas d'accord avec le terme « suprématie quantique ». avantage' doit être utilisé à la place.

Cependant, John Preskill, qui a proposé cette phrase, a précisé qu'il voulait souligner qu'il s'agit d'une période privilégiée de l'histoire où les technologies de l'information basées sur les lois quantiques sont en ascension. Il a également expliqué que la "suprématie quantique" capturait le mieux le point qu'il souhaitait transmettre. D'autres mots, tels que "avantage", n'ont pas le punch de "suprématie".

Applications et avenir

Les récents progrès de l'informatique quantique ont inspiré une toute nouvelle génération d'informaticiens et de physiciens à changer fondamentalement l'aspect des technologies de l'information.

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

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

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

Cela pourrait également avoir un impact important sur le secteur bancaire. L'informatique quantique peut gérer les problèmes financiers liés à l'optimisation de la stratégie d'investissement, ce qui implique l'analyse d'un grand nombre de combinaisons de portefeuilles pour déterminer les critères les mieux adaptés ou pour reconnaître les transactions frauduleuses.

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À l'heure actuelle, il est difficile de prédire quelle industrie l'informatique quantique aura le plus d'impact, 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.