Comment la programmation quantique s'est transformée en un jeu de puzzle 3D

Le logiciel est la partie d'un ordinateur qui se compose d'informations et d'instructions codées. Il est entièrement séparé du matériel, c'est-à-dire des structures physiques qui exécutent ces instructions. Du moins, c'est vrai pour les ordinateurs conventionnels.

Mais ces dernières années, les informaticiens se sont de plus en plus concentrés sur les ordinateurs quantiques qui utilisent les étranges lois de la mécanique quantique pour traiter l'information. Il en résulte des calculs beaucoup plus puissants. Cependant, dans le monde quantique, il est beaucoup plus difficile de séparer le logiciel et le matériel.

Néanmoins, une nouvelle façon puissante de penser les logiciels quantiques commence à émerger. Et la chose curieuse à propos de cette approche est qu'elle transforme la programmation quantique en une sorte de puzzle 3D. Cela conduit à une question intéressante : est-il possible de gamifier un programme quantique de manière à produire des résultats utiles ?

Aujourd'hui, nous obtenons une réponse grâce au travail de Simon Devitt de Riken à Saitama, au Japon, qui a construit un jeu en ligne qui a le potentiel de jouer un rôle crucial dans l'avenir de la programmation quantique. Non seulement le jeu peut aider les humains à créer de meilleurs programmes, mais il pourrait également aider une nouvelle génération de machines à intelligence artificielle à assumer elles-mêmes la tâche.

Tout d'abord un peu de contexte. Une façon de penser à un programme quantique est comme un réseau bidimensionnel de qubits, comme une feuille, ou un réseau tridimensionnel, comme un cristal. L'information est codée en créant un trou ou un défaut dans le réseau.

Il s'agit d'une approche puissante car l'information est naturellement protégée contre les erreurs par les propriétés du réseau lui-même, qui le verrouille efficacement en place.

Les informations peuvent être traitées en déplaçant les défauts à travers le réseau et en les enroulant les uns autour des autres, comme une pelote de ficelle enchevêtrée. Le processus d'enchevêtrement peut activer des portes logiques qui effectuent ensemble des calculs.

Il s'agit essentiellement d'un processus topologique. Ainsi, les mathématiques de la topologie décrivent l'ensemble du processus, quel que soit le désordre de l'enchevêtrement. Tant que les réseaux sont topologiquement identiques, les autres détails de l'enchevêtrement n'ont pas d'importance.

C'est analogue au fameux lien entre un beignet et une tasse de café. Ces formes sont totalement différentes à regarder mais sont topologiquement identiques car elles contiennent toutes deux un seul trou. Chacun peut être converti en l'autre en le pressant et en l'étirant, mais pas en le déchirant.

Il en va exactement de même pour les programmes quantiques. Deux programmes effectuent le même travail à condition qu'ils soient topologiquement identiques, mais quel que soit l'enchevêtrement des réseaux.

Cela pose un problème intéressant. Étant donné un réseau enchevêtré représentant un programme informatique quantique, à quel point peut-il être simplifié tout en préservant sa topologie ? Autrement dit, comment optimiser le programme quantique ?

C'est important car les ordinateurs quantiques d'aujourd'hui ne peuvent gérer que quelques qubits. Avec des ressources quantiques si rares, plus un programme peut être simple, plus il peut être mis en œuvre facilement.

C'est là qu'intervient Devitt. Il a développé un moyen puissant de visualiser les programmes quantiques sous forme de réseaux 3D avec des sections imbriquées représentant la manière dont les informations sont stockées et traitées. La tâche d'optimisation consiste à simplifier le réseau en déplaçant, rétrécissant, étirant et retravaillant les sections imbriquées tout en préservant la même topologie.

Devitt's est allé plus loin en ludifiant la tâche - il l'a transformée en un puzzle Web appelé MeQuanics, que vous pouvez essayer ici . L'idée derrière le jeu est qu'un programme quantique peut alimenter votre vaisseau spatial. Mais le programme que vous avez est trop gros et doit donc être réduit à l'aide de divers outils qui peuvent le remodeler.

Le jeu est fascinant et pas si différent de divers autres casse-tête. C'est un peu bogué mais ça a l'air bien et vaut la peine d'essayer si vous avez quelques minutes.

Il y a un autre aspect caché du jeu. Une façon d'accélérer le processus d'optimisation des programmes quantiques serait de former un algorithme d'apprentissage automatique pour faire le travail. Ces algorithmes ont rencontré un énorme succès dans d'autres tâches et ce type d'optimisation semble parfaitement adapté.

Mais il y a un problème. Ces algorithmes doivent être formés, ce qui nécessite un grand ensemble de données d'exemples dont ils peuvent tirer des enseignements. Cependant, l'optimisation des programmes quantiques est si nouvelle qu'il n'existe pas d'ensembles de données appropriés pour cette tâche.

C'est pourquoi MeQuanics est important - le processus de jeu crée une base de données d'exemples qui peuvent être utilisés pour former une machine. Et avec suffisamment de données, les machines devraient éventuellement surpasser les humains. Le programme AlphaGo de Google a montré à quel point ils peuvent être puissants lorsqu'il a récemment battu l'un des meilleurs joueurs de Go humains après avoir dévoré un énorme ensemble de données de jeux de Go joués en ligne.

Devitt est un travail intéressant qui a le potentiel d'initier une nouvelle génération de personnes à la programmation quantique. Et le meilleur de tous, cela leur permettra de s'amuser pendant qu'ils apprennent.

Réf : arxiv.org/abs/1609.06628 : Programmation d'ordinateurs quantiques à l'aide de puzzles 3D, de tasses à café et de beignets

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