La configuration des lasers et des miroirs a effectivement «résolu» un problème bien trop compliqué, même pour le plus grand système informatique traditionnel

Pour la première fois, un ordinateur quantique fabriqué à partir de photons – particules de lumière – a surpassé même les supercalculateurs classiques les plus rapides

Des physiciens dirigés par Chao-Yang Lu et Jian-Wei Pan de l’Université des sciences et technologies de Chine (USTC) à Shanghai ont utilisé une technique appelée échantillonnage de boson gaussien avec leur ordinateur quantique, nommé Jiŭzhāng Le résultat, rapporté dans la revue Science, était de 76 photons détectés – bien au-delà de l’enregistrement précédent de cinq photons détectés et des capacités des supercalculateurs classiques

Contrairement à un ordinateur traditionnel construit à partir de processeurs en silicium, Jiŭzhāng est une configuration de table élaborée de lasers, miroirs, prismes et détecteurs de photons Ce n’est pas un ordinateur universel qui pourrait un jour envoyer des e-mails ou stocker des fichiers, mais il démontre le potentiel de l’informatique quantique

L’année dernière, Google a fait la une des journaux lorsque son ordinateur quantique Sycamore a mis environ trois minutes à faire ce qui prendrait trois jours à un supercalculateur (ou 10000 ans, selon votre méthode d’estimation) Dans leur article, l’équipe de l’USTC estime qu’il faudrait le Sunway TaihuLight, le troisième supercalculateur le plus puissant au monde, un 2 stupéfiant.5 milliards d’années pour effectuer le même calcul que Jiŭzhāng

Ce n’est que la deuxième démonstration de la primauté quantique, qui est un terme qui décrit le point auquel un ordinateur quantique dépasse exponentiellement n’importe quel ordinateur classique, faisant effectivement ce qui serait autrement essentiellement impossible en calcul Ce n’est pas seulement une preuve de principe; il y a aussi des indices que l’échantillonnage de bosons gaussiens pourrait avoir des applications pratiques, telles que la résolution de problèmes spécialisés en chimie quantique et en mathématiques Plus largement, la capacité de contrôler les photons sous forme de qubits est une condition préalable à tout Internet quantique à grande échelle. (Un qubit est un bit quantique, analogue aux bits utilisés pour représenter des informations en informatique classique)

«Il n’était pas évident que cela allait se produire», déclare Scott Aaronson, un informaticien théorique maintenant à l’Université du Texas à Austin qui, avec Alex Arkhipov, alors étudiant, a décrit pour la première fois les bases de l’échantillonnage de bosons en 2011 Les expériences d’échantillonnage au boson ont été, pendant de nombreuses années, bloquées à environ trois à cinq photons détectés, ce qui est «un sacré chemin» par rapport à la primauté quantique, selon Aaronson «Il est difficile de l’intensifier», dit-il «Chapeau à eux”

Au cours des dernières années, l’informatique quantique est passée de l’obscurité à une entreprise de plusieurs milliards de dollars reconnue pour son impact potentiel sur la sécurité nationale, l’économie mondiale et les fondements de la physique et de l’informatique En 2019, le US La loi sur l’Initiative nationale quantique a été promulguée pour investir plus de 1 $2 milliards en technologie quantique au cours des 10 prochaines années Le domaine a également suscité beaucoup de battage médiatique, avec des délais irréalistes et des affirmations explosives sur les ordinateurs quantiques rendant les ordinateurs classiques entièrement obsolètes.

Cette dernière démonstration du potentiel de l’informatique quantique du groupe USTC est essentielle car elle diffère radicalement de l’approche de Google Le sycomore utilise des boucles métalliques supraconductrices pour former des qubits; dans Jiŭzhāng, les photons eux-mêmes sont les qubits La corroboration indépendante que les principes de l’informatique quantique peuvent conduire à la primauté même sur un matériel totalement différent «nous donne la certitude qu’à long terme, des simulateurs quantiques utiles et un ordinateur quantique tolérant aux pannes deviendront réalisables à long terme», dit Lu

Pourquoi les ordinateurs quantiques ont-ils un énorme potentiel? Prenons la célèbre expérience à double fente, dans laquelle un photon est tiré sur une barrière avec deux fentes, A et B Le photon ne passe ni par A, ni par B Au lieu de cela, l’expérience de la double fente montre que le photon existe dans une «superposition», ou combinaison de possibilités, d’avoir traversé à la fois A et B En théorie, l’exploitation des propriétés quantiques comme la superposition permet aux ordinateurs quantiques d’atteindre des accélérations exponentielles par rapport à leurs homologues classiques lorsqu’ils sont appliqués à certains problèmes spécifiques.

Au début des années 2000, les physiciens s’intéressaient à l’exploitation des propriétés quantiques des photons pour fabriquer un ordinateur quantique, en partie parce que les photons peuvent agir comme des qubits à température ambiante, il n’est donc pas nécessaire de se charger de la tâche coûteuse de refroidir son système. quelques kelvins (environ -455 degrés Fahrenheit) comme avec d’autres schémas de calcul quantique Mais il est rapidement devenu évident que la construction d’un ordinateur quantique photonique universel était impossible. Même pour construire un ordinateur quantique fonctionnel, il faudrait des millions de lasers et autres appareils optiques En conséquence, la primauté quantique avec les photons semblait hors de portée

Puis, en 2011, Aaronson et Arkhipov ont introduit le concept d’échantillonnage de bosons, montrant comment cela pouvait être fait avec un ordinateur quantique limité fabriqué à partir de quelques lasers, miroirs, prismes et détecteurs de photons Soudainement, il y avait un chemin pour les ordinateurs quantiques photoniques pour montrer qu’ils pouvaient être plus rapides que les ordinateurs classiques

La configuration de l’échantillonnage du boson est analogue au jouet appelé machine à haricots, qui est juste un tableau clouté recouvert d’une feuille de verre transparent Les balles sont déposées dans les rangées de piquets par le haut En descendant, ils rebondissent sur les chevilles et les uns sur les autres jusqu’à ce qu’ils atterrissent dans des fentes en bas Simuler la répartition des balles dans les slots est relativement simple sur un ordinateur classique

Au lieu de boules, l’échantillonnage de bosons utilise des photons et remplace les chevilles par des miroirs et des prismes Les photons des lasers rebondissent sur les miroirs et à travers les prismes jusqu’à ce qu’ils atterrissent dans une «fente» pour être détectés Contrairement aux boules classiques, les propriétés quantiques du photon conduisent à un nombre exponentiellement croissant de distributions possibles

Le problème résolu par l’échantillonnage de bosons est essentiellement “Quelle est la distribution des photons?” L’échantillonnage du boson est un ordinateur quantique qui se résout en étant la distribution de photons Pendant ce temps, un ordinateur classique doit déterminer la distribution des photons en calculant ce qu’on appelle le «permanent» d’une matrice Pour une entrée de deux photons, il ne s’agit que d’un court calcul avec un tableau deux par deux Mais à mesure que le nombre d’entrées photoniques et de détecteurs augmente, la taille du réseau augmente, augmentant de façon exponentielle la difficulté de calcul du problème.

L’année dernière, le groupe USTC a démontré l’échantillonnage de bosons avec 14 photons détectés – difficile à calculer pour un ordinateur portable, mais facile pour un supercalculateur Pour passer à la primauté quantique, ils ont utilisé un protocole légèrement différent, l’échantillonnage du boson gaussien

Selon Christine Silberhorn, experte en optique quantique à l’Université de Paderborn en Allemagne et l’un des co-développeurs de l’échantillonnage de bosons gaussiens, la technique a été conçue pour éviter les photons uniques peu fiables utilisés dans le boson «vanille» d’Aaronson et d’Arkhipov échantillonnage

«Je voulais vraiment que ce soit pratique», dit-elle. «C’est un schéma qui est spécifique à ce que vous pouvez faire expérimentalement”

Malgré cela, elle reconnaît que la configuration de l’USTC est extrêmement compliquée Jiŭzhāng commence par un laser qui est divisé pour qu’il frappe 25 cristaux de phosphate de titanyle de potassium Une fois que chaque cristal est touché, il crache de manière fiable deux photons dans des directions opposées Les photons sont ensuite envoyés à travers 100 entrées, où ils parcourent une piste composée de 300 prismes et 75 miroirs Enfin, les photons atterrissent dans 100 emplacements où ils sont détectés En moyenne sur 200 secondes d’exécutions, le groupe USTC a détecté environ 43 photons par analyse Mais en une seule fois, ils ont observé 76 photons – plus que suffisant pour justifier leur revendication de primauté quantique

Il est difficile d’estimer combien de temps il faudrait à un supercalculateur pour résoudre une distribution avec 76 photons détectés – en grande partie parce qu’il n’est pas exactement faisable de passer 25 milliards d’années à piloter un supercalculateur pour le vérifier directement Au lieu de cela, les chercheurs extrapolent à partir du temps qu’il faut pour calculer classiquement un plus petit nombre de photons détectés. Au mieux, la résolution de 50 photons, selon les chercheurs, prendrait deux jours à un supercalculateur, ce qui est beaucoup plus lent que le temps d’exécution de 200 secondes de Jiŭzhāng.

Les schémas d’échantillonnage du boson languissent avec de faibles nombres de photons depuis des années car ils sont incroyablement difficiles à mettre à l’échelle Pour préserver l’agencement quantique sensible, les photons doivent rester indiscernables Imaginez une course de chevaux où les chevaux doivent tous être libérés de la grille de départ exactement au même moment et finir au même moment Les photons, malheureusement, sont beaucoup plus peu fiables que les chevaux

Alors que les photons de Jiŭzhāng parcourent un trajet de 22 mètres, leurs positions ne peuvent différer de plus de 25 nanomètres Cela équivaut à 100 chevaux parcourant 100 kilomètres et franchissant la ligne d’arrivée sans plus d’un cheveu entre eux, dit Lu.

L’ordinateur quantique de l’USTC tire son nom, Jiŭzhāng, de Jiŭzhāng Suànshù, ou «Les neuf chapitres sur l’art mathématique», un ancien texte chinois avec un impact comparable aux éléments d’Euclide

L’informatique quantique comporte également de nombreux rebondissements Surpasser les ordinateurs classiques n’est pas une affaire unique, selon Lu, mais sera plutôt une compétition continue pour voir si les algorithmes et les ordinateurs classiques peuvent rattraper leur retard, ou si les ordinateurs quantiques conserveront la primauté qu’ils ont acquise.

Il est peu probable que les choses soient statiques À la fin du mois d’octobre, des chercheurs de la start-up canadienne d’informatique quantique Xanadu ont trouvé un algorithme qui réduit de façon quadratique le temps de simulation classique pour certaines expériences d’échantillonnage de bosons. En d’autres termes, si 50 photons détectés suffisaient auparavant pour la primauté quantique, il vous en faudrait maintenant 100

Pour les informaticiens théoriques comme Aaronson, le résultat est passionnant car il contribue à apporter des preuves supplémentaires contre la thèse étendue de Church-Turing, qui soutient que tout système physique peut être simulé efficacement sur un ordinateur classique

“Au niveau le plus large, si nous considérons l’univers comme un ordinateur, alors de quel type d’ordinateur s’agit-il?” Aaronson dit «Est-ce un ordinateur classique? Ou est-ce un ordinateur quantique? »

Jusqu’à présent, l’univers, comme les ordinateurs que nous essayons de fabriquer, semble être obstinément quantique

Daniel Garisto est un journaliste scientifique indépendant couvrant les progrès de la physique et d’autres sciences naturelles Ses écrits sont apparus dans Nature News, Science News, Undark et ailleurs

Scientific American Space & Physics est un tour d’horizon des histoires les plus importantes sur l’univers et au-delà

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Actualités – États-Unis – L’ordinateur quantique basé sur la lumière dépasse les supercalculateurs classiques les plus rapides

Source: https://www.scientificamerican.com/article/light-based-quantum-computer-exceeds-fastest-classical-supercomputers/

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