Un ordinateur quantique à base de photons atteint un nouveau record

Une méthode d’informatique quantique qui utilise des particules de lumière (photons) a permis de franchir une étape prometteuse dans la course à la création d’un ordinateur quantique qui surpasse les ordinateurs classiques.

Jian-Wei Pan et Chao-Yang Lu, chercheurs à l’Université des sciences et technologies de Chine, et leurs collaborateurs ont mis au point une technique connue sous le nom d' »échantillonnage de bosons » et avec laquelle ils ont réussi à détecter un nombre record de 14 photons, lorsque les expériences précédentes n’avaient atteint que 5.

Même si l’augmentation du nombre de particules est modeste, elle représente 6,5 milliards de fois la taille de « l’espace d’états »: le nombre de façons dont un système informatique peut être configuré. Plus l’espace d’état est grand, moins il est probable qu’un ordinateur classique puisse effectuer le même calcul.

Le résultat a été présenté dans un article publié dans le référentiel arXiv et n’a pas encore été soumis au processus d’examen par les pairs. Mais s’il était confirmé, ce serait une étape importante dans la course à la suprématie quantique, un objectif flou qui sera atteint lorsque les ordinateurs quantiques parviendront à mener à bien une tâche hors de portée de tout ordinateur classique.

Dans les ordinateurs classiques, les informations sont codées en bits binaires, donc deux bits peuvent prendre les valeurs 00, 01, 10, ou 11. Mais un ordinateur quantique peut être dans une superposition de tous les états classiques : deux qubits ont une certaine probabilité de être 00, 01, 10 et 11 jusqu’à ce que nous les mesurions ; trois qubits ont une certaine probabilité d’être dans l’un des huit états, et ainsi de suite. Cette augmentation exponentielle de la quantité d’informations illustre pourquoi les ordinateurs quantiques, en théorie, ont un tel avantage.

Ces dernières semaines, la course à la suprématie quantique s’est accélérée. L’ordinateur quantique de Google a effectué un calcul en seulement 200 secondes qui, selon les scientifiques de l’entreprise, prendrait environ 10 000 ans à un ordinateur classique. Les chercheurs d’IBM, qui travaillent également au développement d’un ordinateur quantique, ont émis des doutes, suggérant qu’un ordinateur classique pourrait résoudre un tel problème en moins de trois jours.

Pan et Lu soutiennent dans leur article que leur technique est une autre voie possible vers la suprématie quantique. « Je ne suis pas sûr, cela semble difficile », déclare Scott Aaronson, un théoricien de l’informatique à l’Université du Texas à Austin qui n’a pas participé à la nouvelle recherche. « Mais en tant que co-inventeur de la méthode d’échantillonnage des bosons, je suis également heureux de voir des progrès dans cette direction. »

L’échantillonnage des bosons peut être vu comme une version quantique d’un appareil classique : la machine de Galton. Il s’agit d’une planche verticale avec plusieurs rangées de piquets sur lesquels sont lâchées des balles, qui rebondissent sur les piquets jusqu’à ce qu’elles atterrissent dans une série de compartiments disposés au fond. 

Le mouvement aléatoire des boules conduit généralement à une répartition normale dans les compartiments : la plupart d’entre elles tombent près du centre et leur nombre diminue à mesure que l’on se rapproche des bords. Les ordinateurs classiques peuvent facilement prédire ce résultat en simulant un mouvement aléatoire.

Dans l’échantillonnage des bosons, au lieu de boules, nous avons des photons et au lieu de chevilles, des instruments optiques tels que des miroirs et des prismes. Les photons sont tirés à travers le réseau et atterrissent dans un « compartiment » à la fin, où une série de détecteurs enregistrent leur présence. En raison des propriétés quantiques des photons, un appareil avec aussi peu que 50 ou 60 photons pourrait produire tellement de distributions différentes qu’il faudrait des milliards d’années aux ordinateurs classiques pour les calculer.

Mais avec l’échantillonnage des bosons, nous pouvons prédire les résultats en effectuant la tâche elle-même. De cette façon, la technique constitue à la fois le problème de calcul et l’ordinateur quantique qui peut le résoudre.

Aaronson et son étudiant Alex Arkhipov ont proposé l’échantillonnage des bosons en 2010, mais la technique n’est pas aussi populaire que d’autres méthodes d’informatique quantique qui utilisent des qubits physiques, telles que celles privilégiées par Google et IBM.

Une partie du problème est son utilité limitée. « Un ordinateur universel peut résoudre n’importe quel type de problème », déclare Jonathan Dowling, un physicien théoricien de la Louisiana State University qui n’a pas participé à la recherche. « Celui-ci ne peut en résoudre qu’un. » Mais résoudre un seul problème beaucoup plus rapidement qu’un ordinateur classique compterait comme une démonstration de la suprématie quantique.

Cependant, décrire l’expérience est plus facile que de la réaliser. Lu a partagé sur Twitter une image de la configuration expérimentale de son équipe, une table recouverte d’un motif dense et complexe de dispositifs métalliques brillants.

La vraie difficulté est le timing : l’équipe devait produire des photons individuels séparément et simultanément. « Les photons ne vont pas s’attendre les uns les autres, vous devez donc tous les générer en même temps », explique Alexandra Moylett, qui étudie pour un doctorat en informatique quantique à l’Université de Bristol, en Angleterre, et n’était pas non plus impliqués dans le travail.

Si les photons arrivent à quelques trillionièmes de seconde d’intervalle, ils « se perdent ». Chaque photon dans le système augmente la probabilité de photons désynchronisés, car les erreurs s’accumulent. Et plus il y a de photons perdus, plus il est facile pour un ordinateur classique de simuler la distribution des photons, et plus on s’éloigne de la suprématie quantique.

Selon Lu, si son équipe a pu atteindre le chiffre de 14 photons détectés, c’est grâce à une source de photons extrêmement précise. « C’est l’ingrédient magique », confirme Dowling. « Sans elle, ils n’auraient pas pu le faire. »

Bien que les chercheurs n’aient détecté que 14 des 20 photons qu’ils ont introduits dans le système, ce nombre était suffisant pour générer un espace d’état difficile à calculer. Pour comprendre pourquoi, considérons le jeu simple du tic tac toe, où la taille de l’espace d’état est de 19 683, soit 39, puisque dans chacun des neuf carrés il y a trois possibilités (un espace vide, un X ou un O). 

Jusqu’à présent, la meilleure étude d’échantillonnage de bosons avait atteint un espace d’état de taille 15 504, que l’expérience de Pan et Lu a augmenté à environ 100 000 milliards. Dans un message sur Twitter, Lu a déclaré que d’ici un an, son équipe augmenterait le nombre de photons entre 30 et 50.

Il n’est pas clair que l’échantillonnage des bosons puisse être mis en œuvre à une échelle suffisante pour atteindre la suprématie quantique. De nombreuses affirmations douteuses ont déjà été faites dans le passé, certaines avec des entreprises de plusieurs milliards de dollars construites autour d’elles. « La suprématie quantique est comme une course de chevaux où vous ne savez pas à quelle vitesse va votre cheval, vous ne savez pas à quelle vitesse vont les chevaux des autres, et certains des chevaux sont des chèvres », conclut Dowling. Mais ce résultat, précise-t-il, n’est pas un bouc.