Équitation D-Wave

Les ordinateurs traitent les informations en les décomposant en morceaux les plus petits possibles, appelés bits. Un bit représente la distinction entre deux possibilités : Vrai et Faux, Oui et Non, ou, comme ils sont classiquement représentés, 1 et 0.

Ordinateur sympa : Un dispositif connu sous le nom de réfrigérateur à dilution (illustré ci-dessus) est utilisé pour initialiser l'ordinateur quantique de D Wave, l'amenant à son état fondamental en le refroidissant près du zéro absolu.

Le point final de la loi de Moore (qui soutient que les ordinateurs deviennent plus rapides d'un facteur de deux tous les ans et demi environ) est un ordinateur si puissant qu'il utilise des atomes individuels pour stocker des bits d'information : un atome, un bit. Si nous pouvions travailler à des échelles subatomiques et stocker des bits sur des électrons ou des quarks, nous pourrions aller plus loin. Mais restons-en avec ce que nous connaître nous pouvons faire.

Cette histoire faisait partie de notre numéro de mai 2008

• Voir le reste du numéro
• S'abonner

Si les taux actuels de miniaturisation persistent, votre PC stockera un bit sur un atome vers 2050. Mais il est naturel de se demander si nous pouvons, en fait, réaliser une correspondance bit à atome. Remarquablement, des prototypes d'ordinateurs qui stockent des bits sur des atomes individuels existent déjà en laboratoire. Ces ordinateurs sont appelés ordinateurs quantiques, car ils stockent et traitent des informations à des échelles où prévalent les lois de la mécanique quantique.

La mécanique quantique est la branche de la physique qui régit ce qui se passe à très petite échelle. Ses principes sont notoirement étranges, il est donc naturel que les ordinateurs quantiques soient également étranges. Un calculateur électronique conventionnel, dans lequel chaque bit enregistre soit 0, soit 1, est asservi par une logique binaire ; mais un bit quantique, ou qubit, peut enregistrer 0 et 1 en même temps, un phénomène connu sous le nom de superposition. Qu'est-ce que cela signifie pour un bit quantique d'enregistrer simultanément 0 et 1 ? La réponse exacte est que personne ne le sait avec certitude. La nature contre-intuitive de la mécanique quantique empêche notre esprit de saisir le comportement des bits quantiques. Néanmoins, comme les lois de la mécanique quantique sont formulées avec précision, nous pouvons prédire ce que feront les ordinateurs quantiques.

Et ce qu'ils font est remarquable. Puisqu'un qubit peut représenter simultanément deux valeurs différentes, deux qubits peuvent en représenter simultanément quatre (00, 01, 10 et 11, en notation binaire) ; quatre qubits peuvent représenter 16 valeurs ; huit qubits 256 valeurs ; etc. Même un ordinateur quantique relativement petit, doté de quelques dizaines de milliers de qubits, pourrait considérer tellement de valeurs différentes à la fois qu'il serait capable de casser tous les codes connus couramment utilisés pour la communication Internet sécurisée. Les ordinateurs quantiques pourraient également être utilisés pour des recherches plus rapides dans les bases de données ou pour résoudre des problèmes difficiles que les ordinateurs classiques ne pouvaient pas résoudre tout le temps dans l'univers. Mes collègues du MIT et moi-même construisons des ordinateurs quantiques simples et exécutons des algorithmes quantiques depuis 1996, tout comme d'autres scientifiques du monde entier. Les ordinateurs quantiques fonctionnent comme promis. S'ils peuvent être agrandis, à des milliers ou des dizaines de milliers de qubits par rapport à leur taille actuelle d'une douzaine environ, faites attention !

Compte tenu de leur pouvoir d'intercepter et de perturber les communications secrètes, il n'est pas surprenant que les ordinateurs quantiques retiennent l'attention de diverses agences gouvernementales américaines. La National Security Agency, qui soutient la recherche en informatique quantique, déclare franchement qu'étant donné son intérêt pour la sécurité des communications du gouvernement américain, elle répugne à voir des ordinateurs quantiques construits. Par contre, s'ils peuvent être construits, alors il veut avoir le premier.

Le calcul quantique a également suscité un intérêt commercial. Au rythme actuel des progrès, les grands ordinateurs quantiques qui brisent le code sont dans au moins une décennie, de sorte que le secteur privé se concentre sur deux types de calcul quantique qui sont plus faciles. Le premier type non trivial d'informatique quantique a été proposé par le lauréat du prix Nobel Richard Feynman en 1981. Feynman étudiait comment les processus quantiques en physique des hautes énergies pouvaient être simulés. Il a noté que les ordinateurs classiques faisaient mal leur travail, pour la même raison que les êtres humains trouvent la mécanique quantique contre-intuitive : il n'y a pas de moyen facile pour l'un ou l'autre de représenter un bit qui enregistre 0 et 1 en même temps. Feynman a suggéré que si l'ordinateur était de mécanique quantique, il aurait peut-être plus de facilité à gérer les processus quantiques. En 1996, j'ai montré que Feynman avait raison et j'ai créé des algorithmes qui permettraient à un ordinateur quantique de simuler des systèmes à semi-conducteurs, chimiques et à haute énergie. Un tel simulateur ne nécessiterait qu'une centaine de qubits pour pouvoir surpasser tous les supercalculateurs conventionnels.

Un deuxième type d'informatique quantique, connu sous le nom d'informatique quantique adiabatique, est non seulement plus facile que le décryptage, mais potentiellement beaucoup plus puissant. L'informatique quantique adiabatique est un moyen particulièrement physique d'essayer de résoudre des problèmes difficiles.

Comme tous les systèmes physiques, les électrons préféreraient habiter des états d'énergie plus faible que des états d'énergie plus élevés, en particulier à basse température. L'énergie d'un système physique tel qu'un électron dépend des états de ses voisins. Un électron pourrait dire à ses voisins en rotation : Pour une énergie plus faible, tournez dans le sens des aiguilles d'une montre. Un autre électron pourrait dire, pour une énergie plus faible, tournez dans le sens inverse des aiguilles d'une montre. L'état d'énergie le plus bas pour les électrons en rotation en tant que communauté est celui qui minimise le nombre total de conflits entre les spins voisins. Pour qu'un groupe d'électrons puisse trouver leur état d'énergie commun le plus bas, ou état fondamental, ils doivent trouver des moyens de se mettre d'accord sur la façon d'aligner leurs spins. De la même manière qu'un problème de calcul complexe peut être décomposé en bits de retournement, il peut être posé en termes de recherche de l'état fondamental d'un système physique approprié.

Le calcul quantique adiabatique tente de représenter les problèmes comme la perturbation d'un système quantique, de sorte que la réponse est représentée par l'hypothèse du système d'un nouvel état fondamental. Développé par Eddie Farhi et Jeffrey Goldstone au MIT et Sam Gutmann à la Northeastern University, il fonctionne en initialisant le système quantique à un état fondamental simple (tous les spins tournant dans le sens des aiguilles d'une montre, par exemple) puis progressivement, ou adiabatiquement, en activant les interactions qui codent le problème. Si ce processus de mise en marche est suffisamment lent, le système passera progressivement de son état initial simple à l'état final complexe.

L'aspect le plus intéressant du calcul quantique adiabatique est que personne ne sait avec certitude si cela fonctionne dans la pratique. Il se peut que pour tout problème significatif, le système doive suinter si lentement qu'il faudrait l'âge de l'univers pour renvoyer une réponse. Inversement, il se peut que même le problème le plus difficile succombe à un ordinateur quantique adiabatique. Malgré l'attention concertée d'une ribambelle de physiciens et de mathématiciens, la question de savoir si l'informatique quantique adiabatique fonctionne reste ouverte. La plupart des experts soupçonnent qu'il ne peut pas résoudre les problèmes de calcul les plus difficiles. Mais le soupçon n'est pas une preuve.

Lorsque les théoriciens ne peuvent s'entendre, les expérimentateurs vont de l'avant. Parce que le but du calcul quantique adiabatique est d'aller lentement plutôt que vite, les ordinateurs quantiques adiabatiques sont en principe beaucoup plus faciles à construire que les ordinateurs quantiques à usage général qui brisent le code. Réalisant ce point clé, en 2002, mon étudiant diplômé Bill Kaminsky et moi avons créé un design pour un ordinateur quantique adiabatique basé sur la technologie supraconductrice. L'année dernière, D-Wave Systems, une startup d'informatique quantique de Burnaby, en Colombie-Britannique, a annoncé qu'elle avait construit un ordinateur quantique adiabatique basé sur notre conception. À ce moment-là, les choses sont devenues intéressantes.

D-Wave a été fondée il y a un peu moins de dix ans, dans le but exprès de construire un ordinateur quantique commercial. Après avoir caressé l'idée de construire un ordinateur quantique pour factoriser de grands nombres, ses chercheurs ont judicieusement opté pour les tâches plus simples et toujours potentiellement rentables de la simulation quantique et de l'informatique quantique adiabatique. En février 2007, au Computer History Museum de la Silicon Valley, la société a fait la démonstration d'un appareil à 16 qubits qui, selon elle, pourrait résoudre des problèmes d'optimisation raisonnablement complexes. Il pourrait même faire des puzzles de Sudoku !

D-Wave a levé environ 60 millions de dollars de financement auprès de sociétés de capital-risque telles que Draper Fisher Jurvetson. En tant qu'entreprise privée, elle est principalement responsable envers ses investisseurs plutôt que envers la communauté scientifique. Il n'est donc pas surprenant qu'en annonçant son succès dans la construction d'un ordinateur quantique adiabatique, D-Wave se soit concentré sur les applications commerciales plutôt que sur les détails scientifiques. Alors que les investisseurs en capital-risque ont été impressionnés par l'annonce, offrant à l'entreprise une autre ronde de financement, les scientifiques étaient moins enthousiastes. Le communiqué de presse n'a fourni aucune spécification d'appareil qui permettrait d'évaluer l'exactitude scientifique de ses allégations. Il semblait possible que l'ordinateur trouve simplement des solutions en étant refroidi à son état fondamental, un processus assez ennuyeux et pas si quantique, plutôt que d'effectuer la procédure adiabatique plus subtile décrite ci-dessus. Lorsque D-Wave a négligé de fournir des preuves concrètes que l'appareil effectuait réellement un calcul quantique, même les observateurs scientifiques les plus charitables ont simplement supposé que ses scientifiques ne savaient pas si c'était le cas ou non. (Voir D‑Wave décousue ) Des observateurs moins charitables ont prononcé des mots que je ne peux pas rapporter dans cette publication. Pour ma part, j'étais en conflit. J'aimerais vraiment savoir si le calcul quantique adiabatique fonctionne. Même si cette approche ne peut pas résoudre les problèmes les plus difficiles, si le système de D-Wave pouvait effectuer une démonstration bien définie du calcul quantique adiabatique dans certains cas simples, ce serait une validation de la conception de Kaminsky et de ma conception. Dans l'état actuel des choses, cependant, D-Wave semblait brouiller le quantum pour de l'argent.

L'automne dernier, les eaux sont devenues plus claires. Le théoricien en chef de D‑Wave, Mohammad Amin, et son expérimentateur en chef, Andrew Berkley, ont visité la communauté de l'informatique quantique au MIT. Ils ont discuté franchement des questions scientifiques. Non, ont-ils admis, ils ne pouvaient pas prouver que ce qu'ils faisaient était un véritable calcul quantique adiabatique, mais il semblait que c'était probablement le cas. Comment pourraient-ils répondre à la question de manière concluante?

Les pionniers du calcul quantique supraconducteur avaient pu démontrer la nature quantique de leurs appareils en les zappant avec des impulsions micro-ondes rapides et en examinant leurs réponses. Mais ces dispositifs n'étaient pas adiabatiques ; ils fonctionnaient à des vitesses comparables à celles d'un ordinateur conventionnel. L'appareil D-Wave, en revanche, est volontairement lent : aucun zapping n'est donc possible. En conséquence, il existe un nombre limité d'expériences pouvant indiquer si l'appareil effectue réellement du calcul quantique. L'une, cependant, consiste à faire varier la lenteur avec laquelle le dispositif suinte de son état initial à son état final. À mi-chemin du processus de suintement, l'ordinateur arrive à un point où il doit commencer à faire les choix difficiles qui mènent à la solution du problème. Ici, l'ordinateur est dans un état quantique étrange, dans lequel chaque bit enregistre 0 et 1 en même temps. J'ai exhorté les chercheurs de D-Wave à explorer ce point critique et à rechercher les signes révélateurs.

Plus récemment, j'ai parlé avec Herb Martin, PDG de D-Wave, et Geordie Rose, directeur de la technologie et cofondateur de l'entreprise, et j'ai souligné la nécessité pour eux de poursuivre ces expériences s'ils sont vraiment intéressés à expliquer le fonctionnement de leurs appareils. Une expérience que j'ai recommandée à Rose est un protocole spécifique pour créer et vérifier la présence d'un état dit de chat de Schrödinger, une instance spécifique de l'état dans lequel tous les qubits enregistrent à la fois 0 et 1 simultanément. (Le nom vient d'une expérience de pensée proposée par l'un des fondateurs de la mécanique quantique, Erwin Schrödinger, qui a imaginé un chat quantique qui pourrait être à la fois mort et vivant.) Martin et Rose semblent enthousiastes : ils sont bien conscients que s'ils ne peuvent pas prouver que leur appareil fait vraiment quelque chose de mécanique quantique, alors leur nom au sein de la communauté scientifique restera dans la boue.

En novembre de l'année dernière, D-Wave a démontré ce qu'il prétendait être un ordinateur quantique adiabatique de 28 qubits. Aujourd'hui, les scientifiques de l'entreprise tentent de démontrer la nature fondamentalement quantique de leur appareil. Il y a une forte motivation pour faire de la science et bien faire les choses. L'ingénierie est une science si bien établie que même des ingénieurs comme moi peuvent le faire. Si vous ne parvenez pas à maîtriser la science d'un ordinateur quantique à 16 qubits, vos chances de construire des appareils à 512 qubits et à 1 024 qubits (prochaines étapes prévues par D-Wave) sont nulles. D'un autre côté, si D-Wave peut confirmer que son système actuel entre dans l'état où tous ses qubits sont 0 et 1 en même temps, alors il a une bonne chance de construire des dispositifs quantiques plus complexes.

Et un chat de Schrödinger supraconducteur de 16 qubits serait plutôt cool.

Seth Lloyd est professeur de génie mécanique et directeur du Center for Extreme Quantum Information Theory au MIT.

cacher