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Une puce quantique prend quelques microsecondes pour effectuer une tâche qu'un superordinateur passerait 9,000 XNUMX ans

Horodatage: 7 juin 2022 10h00
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Les ordinateurs quantiques sont-ils sur-médiatisés ?

Une nouvelle étude in Nature dit non. Un dispositif quantique intelligemment conçu développé par Xanadu, une société basée à Toronto, au Canada, a effacé les ordinateurs conventionnels sur une tâche de référence qui autrement prendrait plus de 9,000 XNUMX ans.

Pour la puce quantique Borealis, les réponses sont venues dans les 36 microsecondes.

La réalisation de Xanadu est la dernière à démontrer la puissance du quantique informatique par rapport aux ordinateurs conventionnels - une idée apparemment simple appelée avantage quantique.

Théoriquement, le concept a du sens. Contrairement aux ordinateurs conventionnels, qui calculent en séquence à l'aide de bits binaires - 0 ou 1 - les dispositifs quantiques puisent dans l'étrangeté du monde quantique, où 0 et 1 peuvent tous deux exister en même temps avec des probabilités différentes. Les données sont traitées en qubits, une unité sans engagement qui effectue simultanément plusieurs calculs grâce à sa physique unique.

Traduction? Un ordinateur quantique est comme un multitâche hyper-efficace, alors que les ordinateurs conventionnels sont beaucoup plus linéaires. Face au même problème, un ordinateur quantique devrait être capable d'écraser n'importe quel supercalculateur dans n'importe quel problème en termes de rapidité et d'efficacité. L'idée, surnommée «suprématie quantique», a été la force motrice pour faire pression pour une nouvelle génération d'ordinateurs complètement étrangers à tout ce qui était fait auparavant.

Le problème? Prouver la suprématie quantique est extrêmement difficile. Alors que les appareils quantiques quittent de plus en plus le laboratoire pour résoudre davantage de problèmes du monde réel, les scientifiques adoptent une référence intermédiaire : l'avantage quantique, qui est l'idée qu'un ordinateur quantique peut battre un ordinateur conventionnel à une seule tâche, n'importe quelle tâche.

En 2019, Google a cassé internet présentant le premier exemple d'ordinateur quantique, Sycamore, résolvant un problème de calcul en seulement 200 secondes avec 54 qubits, par rapport à l'estimation d'un supercalculateur conventionnel de 10,000 XNUMX ans. Une équipe chinoise a rapidement suivi une deuxième vitrine fascinante de l'avantage du calcul quantique, la machine crachant des réponses qui prendraient plus de deux milliards d'années à un supercalculateur.

Pourtant, une question cruciale demeure : l'un de ces dispositifs quantiques est-il sur le point d'être prêt pour une utilisation pratique ?

Une refonte drastique

Il est facile d'oublier que les ordinateurs dépendent de la physique. Notre système actuel, par exemple, puise dans électrons et astucieusement conçu chips pour exercer leurs fonctions. Les ordinateurs quantiques sont similaires, mais ils reposent sur une physique alternative des particules. Les premières générations de machines quantiques ressemblaient à des lustres délicats et scintillants. Bien qu'absolument magnifiques, comparés à une puce de smartphone compacte, ils sont également totalement peu pratiques. Le matériel nécessite souvent des climats étroitement contrôlés, par exemple une température proche du zéro absolu, pour réduire les interférences et augmenter l'efficacité de l'ordinateur.

Le concept de base de l'informatique quantique est le même : les qubits traitent les données en superposition, une bizarrerie de la physique quantique qui leur permet d'encoder des 0, des 1 ou les deux en même temps. Le matériel qui prend en charge l'idée diffère énormément.

Sycamore de Google, par exemple, utilise des boucles métalliques supraconductrices, une configuration populaire auprès d'autres géants de la technologie, dont IBM, qui a introduit Eagle, un puissant Puce quantique de 127 qubits en 2021, c'est à peu près la taille d'un quart. D'autres itérations d'entreprises telles que Honeywell et IonQ a adopté une approche différente, puisant dans les ions - des atomes dont un ou plusieurs électrons ont été retirés - comme principale source d'informatique quantique.

Une autre idée repose sur les photons, ou particules de lumière. Son utilité a déjà été prouvée : la démonstration chinoise de l'avantage quantique, par exemple, a utilisé un dispositif photonique. Mais l'idée a également été rejetée comme un simple tremplin vers l'informatique quantique plutôt qu'une solution pratique, en grande partie à cause des difficultés d'ingénierie et de configuration.

Une révolution photonique

L'équipe de Xanadu a donné tort aux opposants. La nouvelle puce, Borealis, est légèrement similaire à celle de l'étude chinoise en ce sens qu'elle utilise des photons – plutôt que des matériaux supraconducteurs ou des ions – pour le calcul.

Mais il a un énorme avantage : il est programmable. "Les expériences précédentes reposaient généralement sur des réseaux statiques, dans lesquels chaque composant est fixé une fois fabriqué", expliqué Dr Daniel Jost Brod de l'Université Fédérale Fluminense de Rio de Janeiro au Brésil, qui n'a pas participé à l'étude. La démonstration précédente de l'avantage quantique dans l'étude chinoise utilisait une puce statique. Avec Borealis, cependant, les éléments optiques "peuvent tous être facilement programmés", ce qui en fait moins un appareil à usage unique et plus un véritable ordinateur potentiellement capable de résoudre plusieurs problèmes. (Le terrain de jeu quantique est disponible sur le cloud pour que quiconque puisse expérimenter et explorer une fois que vous vous êtes inscrit.)

La flexibilité de la puce provient d'une mise à jour de conception ingénieuse, un "schéma innovant [qui] offre un contrôle impressionnant et un potentiel de mise à l'échelle", a déclaré Brod.

L'équipe s'est concentrée sur un problème appelé Échantillonnage de boson gaussien, une référence pour évaluer les prouesses de l'informatique quantique. Le test, bien qu'extraordinairement difficile en calcul, n'a pas beaucoup d'impact sur les problèmes du monde réel. Cependant, comme les échecs ou Go pour mesurer les performances de l'IA, il agit comme un juge impartial pour examiner les performances de l'informatique quantique. C'est en quelque sorte un «étalon-or»: «L'échantillonnage du boson gaussien est un schéma conçu pour démontrer les avantages des dispositifs quantiques par rapport aux ordinateurs classiques», a expliqué Brod.

La configuration ressemble à une tente miroir de carnaval dans un film d'horreur. États spéciaux de la lumière (et des photons) - appelés de manière amusante "états pressés »— sont tunnellisés sur la puce embarquée avec un réseau de séparateurs de faisceau. Chaque séparateur de faisceau agit comme un miroir semi-réfléchissant : selon la façon dont la lumière frappe, il se divise en plusieurs filles, certaines réfléchissant et d'autres passant à travers. Au bout de l'engin se trouve un réseau de détecteurs de photons. Plus il y a de séparateurs de faisceaux, plus il est difficile de calculer comment un photon individuel se retrouvera sur un détecteur donné.

Comme autre visualisation : imaginez une machine à haricots, une planche à clous recouverte de verre. Pour jouer, vous déposez une rondelle dans les chevilles en haut. Au fur et à mesure que la rondelle tombe, elle frappe au hasard différents piquets, atterrissant finalement dans une fente numérotée.

L'échantillonnage du boson gaussien remplace les rondelles par des photons, dans le but de détecter quel photon atterrit dans quelle fente du détecteur. En raison des propriétés quantiques, les distributions résultantes possibles croissent de manière exponentielle, dépassant rapidement toutes les puissances des superordinateurs. C'est une excellente référence, a expliqué Brod, en grande partie parce que nous comprenons la physique sous-jacente, et la configuration suggère que même quelques centaines de photons peuvent défier les superordinateurs.

Relevant le défi, la nouvelle étude a réinventé un dispositif photonique quantique avec un admirable 216 qubits. Contrairement aux conceptions classiques, l'appareil calculait les photons dans des bacs de temps d'arrivée plutôt que dans la norme de direction précédente. L'astuce consistait à introduire des boucles de fibres optiques pour retarder les photons afin qu'ils puissent interférer à des endroits spécifiques importants pour le calcul quantique.

Ces ajustements ont conduit à un appareil considérablement allégé. Le grand réseau habituel de séparateurs de faisceau - normalement nécessaires pour les communications de photons - peut être réduit à seulement trois pour prendre en charge tous les délais nécessaires pour que les photons interagissent et calculent la tâche. Les conceptions de boucle, ainsi que d'autres composants, sont également "facilement programmables" en ce sens qu'un séparateur de faisceau peut être réglé avec précision en temps réel, comme l'édition de code informatique, mais au niveau matériel.

L'équipe a également réussi une vérification d'intégrité standard, certifiant que les données de sortie étaient correctes.

Pour l'instant, les études qui montrent de manière fiable la suprématie quantique restent rares. Les ordinateurs conventionnels ont un demi-siècle d'avance. Alors que les algorithmes continuent d'évoluer sur les ordinateurs conventionnels, en particulier ceux qui exploitent de puissantes puces axées sur l'IA ou neuromorphique conceptions informatiques - ils peuvent même facilement surpasser les appareils quantiques, les laissant avoir du mal à rattraper leur retard.

Mais c'est le plaisir de la poursuite. "L'avantage quantique n'est pas un seuil bien défini, basé sur un seul facteur de mérite. Et au fur et à mesure que les expériences se développeront, les techniques pour les simuler le seront aussi - nous pouvons nous attendre à ce que des dispositifs quantiques record et des algorithmes classiques dans un proche avenir se défient à tour de rôle pour la première place », a déclaré Brod.

"Ce n'est peut-être pas la fin de l'histoire", a-t-il poursuivi. Mais la nouvelle étude "est un bond en avant pour la physique quantique dans cette course".

Crédit image: geralt / 24493 images

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