Les scientifiques de Google affirment avoir atteint la suprématie quantique, une étape tant attendue dans l’informatique quantique. L’annonce, publiée dans la revue  Nature  le 23 octobre, intervient après la fuite d’une version préliminaire de l’article il y a cinq semaines, sur laquelle Google n’a fait aucun commentaire.

Dans une première mondiale, une équipe dirigée par John Martinis, un physicien expérimental de l’Université de Californie, Santa Barbara et Google à Mountain View, Californie, affirme que leur ordinateur quantique a effectué un certain calcul qui dépasse les capacités pratiques « classiques » conventionnelles. Machines. Google estime que le supercalculateur classique le plus puissant mettrait plus de 10 000 ans pour effectuer ce même calcul.

La suprématie quantique a longtemps été considérée comme une étape importante car elle est la preuve que les ordinateurs quantiques peuvent surpasser les ordinateurs classiques, explique Martinis. Bien que son équipe n’ait montré cet avantage que dans un cas très précis, cela confirme que la mécanique quantique fonctionne comme prévu lorsqu’elle est utilisée dans un problème complexe.

« Il semble que Google ait présenté la première preuve expérimentale qu’il est possible d’obtenir un avantage quantique dans un système réel », déclare Michelle Simmons, physicienne quantique à l’Université de New South Wales à Sydney, en Australie.

Martinis compare l’expérience à un programme typique « hello world », qui teste un nouveau système en lui demandant d’imprimer cette phrase : pas particulièrement utile en soi, mais cela aide Google à vérifier que les composants et algorithmes quantiques fonctionnent correctement.

L’exploit a été révélé pour la première fois en septembre dans le  Financial Times  et d’autres médias, après qu’une version préliminaire de l’article a été divulguée sur le site Web de la NASA (une agence qui collabore avec Google sur les questions d’informatique quantique), qui a été rapidement supprimée. . À l’époque, la société n’a pas confirmé avoir écrit l’article, ni commenté celui-ci.

Bien que le calcul choisi par Google – vérifier la sortie d’un générateur de nombres aléatoires quantiques – ait peu d’applications pratiques, « c’est une énorme réussite scientifique, en supposant qu’elle soit confirmée, et j’imagine que ce sera le cas », déclare Scott Aaronson, un informaticien. l’Université du Texas à Austin.

Certains chercheurs extérieurs à Google tentent déjà d’améliorer les algorithmes classiques utilisés pour résoudre le problème, espérant réduire ces 10 000 ans que l’entreprise a estimés. IBM, le rival de Google dans la construction d’ordinateurs quantiques, a rapporté le 21 octobre (par le biais d’un article disponible sur le référentiel arXiv et non encore soumis à un processus d’examen par les pairs) que le problème pourrait être résolu en aussi peu que deux jours et demi en utilisant un autre technique classique.

Si IBM a raison, cela réduirait l’exploit de Google à avoir démontré un « avantage » quantique : effectuer un calcul beaucoup plus rapide qu’un ordinateur classique, mais pas hors de sa portée. Pourtant, ce serait toujours une étape importante, dit Simmons. « Pour autant que je sache, c’est la première fois que quelqu’un le montre, donc il ne fait aucun doute que c’est un excellent résultat. »

Les ordinateurs quantiques fonctionnent d’une manière fondamentalement différente des machines classiques : un bit classique est soit un 1 soit un 0, mais un bit quantique, ou qubit, peut exister dans une superposition de ces deux états. Lorsque les qubits sont inextricablement connectés (par ce que l’on appelle l’intrication quantique), les physiciens peuvent, en théorie, exploiter l’interférence entre leurs états quantiques pour effectuer des calculs qui pourraient autrement prendre des millions d’années.

Les physiciens pensent que les ordinateurs quantiques pourraient éventuellement exécuter des algorithmes révolutionnaires capables, par exemple, de passer au crible des bases de données peu maniables ou de factoriser des nombres énormes, y compris ceux utilisés en cryptographie. Mais ces applications sont encore à des décennies. Plus il y a de qubits connectés, plus il est difficile de préserver leurs états fragiles pendant que l’appareil fonctionne. L’algorithme de Google fonctionne sur un processeur quantique composé de 54 qubits, chacun composé de circuits supraconducteurs. Mais ce n’est qu’une petite fraction du million de qubits dont une machine à usage général pourrait avoir besoin.

La tâche choisie par Google pour son ordinateur quantique est « un peu étrange », explique Christopher Monroe, physicien à l’Université du Maryland à College Park. Les physiciens de Google ont conçu le problème en 2016, avec l’idée qu’il serait extrêmement difficile à résoudre pour un ordinateur ordinaire. L’équipe a mis au défi leur ordinateur, connu sous le nom de Sycamore, de décrire la probabilité des différents résultats d’un générateur de nombres aléatoires quantiques. 

Pour ce faire, ils ont mis en place un circuit qui soumet 53 qubits à une série d’opérations aléatoires. Cela génère une chaîne de 53 chiffres (uns et zéros), avec un total de 253 combinaisons possibles (seuls 53 qubits ont été utilisés car l’un des 54 de Sycamore était foiré). Le processus est si complexe qu’il est impossible de calculer le résultat à partir des premiers principes, il est donc à toutes fins utiles aléatoire. Mais en raison des interférences entre les qubits, certaines combinaisons sont plus probables que d’autres. Ceci est similaire au lancement d’un dé chargé : il produit toujours un nombre aléatoire, mais il y a des nombres qui ont plus de chances d’apparaître.

Sycamore a calculé la distribution de probabilité en échantillonnant la sortie du circuit : en l’exécutant un million de fois et en déterminant les chaînes de nombres résultantes. Cette méthode est similaire au lancer de dés pour révéler votre parti pris. Dans un sens, souligne Monroe, ce que fait la machine est quelque chose que les scientifiques font tout le temps : utiliser une expérience pour trouver la réponse à un problème quantique classiquement impossible à calculer. La différence fondamentale, précise-t-il, est que l’ordinateur de Google n’a pas une vocation unique, mais est programmable et pourrait s’appliquer à tout type de circuit quantique.

La vérification de la solution était un autre défi. Pour ce faire, l’équipe a comparé les résultats avec ceux de simulations de versions plus petites et plus simples des circuits, qui étaient exécutées sur des ordinateurs classiques, tels que le supercalculateur Summit du Oak Ridge National Laboratory dans le Tennessee. En extrapolant à partir de ces exemples, l’équipe de Google estime qu’un ordinateur doté d’un million d’unités de traitement (équivalent à environ 100 000 ordinateurs de bureau) mettrait environ 10 000 ans pour simuler l’ensemble du circuit. Sycamore n’a pris que 3 minutes et 20 secondes.

Google considère sa preuve de suprématie quantique irréfutable. Même si d’autres chercheurs réduisent le temps nécessaire pour exécuter la simulation classique, les ordinateurs quantiques ne cessent de s’améliorer. Cela signifie que, sur ce problème particulier, il est peu probable que les machines conventionnelles rattrapent leur retard, déclare Hartmut Neven, qui dirige l’équipe d’informatique quantique de Google.

Monroe pense que la réussite de Google pourrait être bénéfique pour l’informatique quantique, car elle pourrait attirer davantage d’informaticiens et d’ingénieurs sur le terrain. Mais il avertit également que cette nouvelle pourrait créer la fausse impression que les ordinateurs quantiques sont plus proches des applications pratiques et quotidiennes qu’ils ne le sont réellement. «Ce que les gens pensent, c’est « ils ont enfin dépassé les ordinateurs normaux, donc ça y est, dans deux ans on en aura un à la maison »», raisonne-t-il.

En fait, ajoute Monroe, les scientifiques n’ont pas encore montré qu’un ordinateur quantique programmable peut résoudre une tâche utile qui ne peut être accomplie d’aucune autre manière, comme le calcul de la structure électronique d’une molécule donnée, un problème très compliqué qui nécessite la modélisation de multiples interactions quantiques. 

Une autre étape importante, dit Aaronson, serait de démontrer la suprématie quantique dans un algorithme qui comprend un processus connu sous le nom de correction d’erreurs, une méthode pour corriger les erreurs induites par le bruit qui invalideraient autrement un calcul. Les physiciens pensent que cela sera essentiel pour que les ordinateurs quantiques fonctionnent à grande échelle.

Google travaille pour atteindre ces deux jalons, souligne Martinis, et dévoilera les résultats de ses expérimentations dans les mois à venir.

Aaronson pense que l’expérience conçue par Google pour prouver la suprématie quantique pourrait avoir des applications pratiques : le chercheur a créé un protocole qui utilise un tel calcul pour prouver à un utilisateur que les bits générés par un générateur de nombres aléatoires quantiques sont bien aléatoires. Cela pourrait être utile, par exemple, pour la cryptographie et certaines crypto-monnaies, dont la sécurité repose sur des clés aléatoires.

Les ingénieurs de Google ont dû apporter un certain nombre d’améliorations à ses composants pour exécuter l’algorithme, comme la construction de nouveaux composants électroniques pour contrôler le circuit quantique et la conception d’une nouvelle façon de connecter les qubits, ajoute Martinis. « Vraiment, c’est la base sur laquelle nous allons évoluer. Nous pensons que cette architecture de base est la voie à suivre », conclut-il.

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