Le grand mot à la mode quantique de nos jours est « suprématie quantique ». (C’est un terme que je méprise, même si je reconnais que le concept a une certaine utilité. J’expliquerai dans un instant). Malheureusement, cela signifie que certains chercheurs se sont concentrés sur la suprématie quantique comme une fin en soi, construisant des dispositifs inutiles pour y parvenir.
Désormais, les ordinateurs quantiques optiques ont rejoint le club avec un appareil minutieusement configuré qui ne assez réussir à démontrer la suprématie quantique. Mais avant d’en venir aux nouvelles, plongeons-nous dans le monde de la suprématie quantique.
La « suprématie quantique » se résume à un échec des mathématiques, combiné à la peur que le puits se tarisse avant que nous n’ayons bu à satiété.
Dans un monde parfait, un ordinateur quantique fonctionne parfaitement. Dans ce monde parfait, vous pouvez générer une preuve mathématique qui montre qu’un ordinateur quantique surpassera toujours un ordinateur classique sur certaines tâches, quelle que soit la vitesse de l’ordinateur classique. Notre monde, cependant, est légèrement moins que parfait, et nos ordinateurs quantiques ne sont pas idéales, donc ces preuves mathématiques pourraient ne pas s’appliquer.
En conséquence, pour montrer les avantages en termes de performances des ordinateurs quantiques, nous devons construire un réel ordinateur quantique qui fait quelque chose qu’un ordinateur classique peut faire檛. Malheureusement, les ordinateurs quantiques fiables étaient, jusqu’à récemment, limités à quelques bits quantiques (qubits). En raison de cette rareté de bits, tout problème pouvant être résolu sur un ordinateur quantique pourrait être résolu beaucoup plus rapidement sur un ordinateur classique, simplement parce que les problèmes étaient si petits.
Une solution, bien sûr, consiste à fabriquer des ordinateurs quantiques avec un plus grand nombre de qubits afin qu’ils puissent gérer des problèmes plus importants. Une fois cela réalisé, les ordinateurs quantiques devraient être plus rapides que les ordinateurs classiques, à condition que ces preuves mathématiques délicates soient valables pour les ordinateurs quantiques non idéaux.
Mettre en place un ordinateur quantique à usage général avec beaucoup de qubits est plus facile à dire qu’à faire. Cependant, assembler un ordinateur capable de résoudre un seul problème est plus facile que de construire un ordinateur à usage général. Un tel ordinateur quantique particulier permet aux ingénieurs de montrer qu’un ordinateur quantique est plus rapide qu’un ordinateur classique sur ce seul problème, tout en leur permettant d’éviter la tâche de produire un ordinateur généralement utile. La lueur d’espoir que ce succès apporterait pourrait rassurer les personnes qui contrôlent les budgets, en fournissant aux chercheurs les fonds nécessaires pour transformer un ordinateur quantique spécialisé (c’est-à-dire pas très utile) en un ordinateur quantique à usage général (c’est-à-dire très utile !) ordinateur quantique.
Donc, j’accepte la nécessité de la suprématie quantique – personne ne veut poursuivre une impasse – mais je n’aime toujours pas ce que cela fait à la recherche actuelle. Passons maintenant à l’actualité…
Google a récemment publié un article prétendant avoir démontré la suprématie quantique (bien que tout le monde ne soit pas entièrement d’accord). Maintenant, un autre groupe de scientifiques a publié une deuxième tentative sur le problème, cette fois en utilisant un ordinateur quantique optique qui, encore une fois, ne calcule rien d’utile.
Les scientifiques ont pris une source de photons uniques et ont rapidement changé le chemin de la sortie afin qu’ils aient 20 faisceaux différents, chacun contenant un seul photon. Les 20 photons sont entrés simultanément dans un ensemble de guides d’ondes, où ils ont été mélangés à plusieurs reprises les uns avec les autres, créant 60 faisceaux de sortie. Les photons se sont interférés à plusieurs reprises et se sont influencés les uns les autres de manière aléatoire. Pour toute impulsion particulière de 20 photons, certains faisceaux de sortie seront vides et d’autres auront des photons.
Les chercheurs ont recherché une émission simultanée entre les sorties. Toute mesure particulière est un échantillon d’une distribution de nombres aléatoires (un processus appelé échantillonnage Bose). En répétant l’expérience plusieurs fois, des statistiques sur le caractère aléatoire trouvé dans l’interférence photonique sont révélées.
Pour les petites expériences, un ordinateur classique peut calculer directement les probabilités de chaque combinaison de sortie possible. Mais, pour 20 faisceaux avec 60 sorties possibles, vous vous retrouvez avec environ 1014 combinaisons de sortie. Ce nombre de sorties potentielles, et, par conséquent, les résultats expérimentaux démontrés par les chercheurs, peuvent toujours être calculés directement à l’aide d’un superordinateur, mais cela prendrait plusieurs heures, ce qui signifie que nous nous approchons du bord de ce qui est possible.
Pourtant, il est suffisamment rapide pour surpasser cet ordinateur quantique particulier. Les chercheurs n’ont détecté une coïncidence de 14 photons qu’une fois toutes les six heures, ce qui signifie que l’accumulation des statistiques à partir du seuil du système quantique prend environ une journée.
L’avenir, cependant, est plus grand. Le nombre d’entrées peut être facilement doublé (sans doubler le nombre de faisceaux), et les auteurs affirment que le circuit de guide d’ondes peut également être étendu pour accueillir plus de 100 sorties. (C’est un avantage clé des circuits de guides d’ondes optiques : la facilité de mise à l’échelle.)
Malheureusement, je ne suis pas sûr que cela gagnera les chercheurs autant qu’ils l’espèrent. Le cœur du système est une source de photons uniques, qui produit des millions de photons par seconde. La vitesse de calcul est cependant limitée par ce taux. Donc, oui, les chercheurs peuvent étendre le nombre de combinaisons de sorties possibles bien au-delà de ce qui peut être calculé classiquement. Malheureusement, leur source de photons peut également les empêcher d’échantillonner la distribution dans un délai raisonnable.
Sur une note plus personnelle : parfois je commence à lire un article, puis je m’arrête et je remercie de ne pas être l’étudiant diplômé qui a dû fais ça en fait. C’est un de ces papiers. L’expérience ici est une configuration folle !
Lettres d’examen physique, 2019, DOI : 10.1103/PhysRevLett.123.250503 (À propos des DOI)