Google révèle un plan pour la suprématie quantique

La grande promesse de l'informatique quantique est la capacité d'effectuer des calculs d'une complexité époustouflante qui dépassent de loin les capacités des ordinateurs conventionnels. Les physiciens savent depuis longtemps qu'un ordinateur quantique avec seulement 50 qubits pourrait surpasser même les supercalculateurs les plus puissants du monde.

Mais dépasser les limites de l'informatique conventionnelle - atteindre la suprématie quantique, comme l'appellent les physiciens - s'est avéré plus difficile que prévu. Les états quantiques sont des objets délicats : éternuez et ils disparaissent. Pour cette raison, les physiciens se sont embourbés dans le défi pratique d'isoler les ordinateurs quantiques et leurs machines de traitement quantique du monde extérieur. En conséquence, la suprématie quantique semble plus lointaine que jamais.

Mais il peut y avoir un autre moyen de démontrer la suprématie quantique qui ne nécessite pas un ordinateur quantique à usage général capable d'exécuter divers algorithmes quantiques. Au lieu de cela, les physiciens ont commencé à jouer avec des systèmes quantiques qui ne peuvent faire qu'une seule chose. S'ils peuvent montrer que cette seule chose est au-delà de la capacité de n'importe quel ordinateur conventionnel, alors ils auront démontré la suprématie quantique pour la première fois. Mais comment cela peut être fait est loin d'être clair.

Aujourd'hui, Charles Neill de l'Université de Californie à Santa Barbara et Pedram Roushan de Google disent savoir comment la suprématie quantique peut être atteinte et ont démontré avec succès une version de preuve de principe de la machine pour la première fois. Le travail soulève la perspective que la première démonstration de la suprématie quantique pourrait être dans quelques mois.

Tout d'abord un peu de contexte. Le gros avantage des qubits par rapport aux bits ordinaires est qu'ils peuvent exister dans une superposition d'états. Ainsi, alors qu'un bit ordinaire peut être un 1 ou un 0, un qubit peut être à la fois un 1 et un 0.

Cela signifie que deux qubits peuvent représenter quatre nombres en même temps, trois qubits peuvent représenter huit nombres et neuf qubits, 512 nombres simultanément. En d'autres termes, leur capacité augmente de façon exponentielle.

C'est pourquoi il ne faut pas beaucoup de qubits pour surpasser les ordinateurs conventionnels. Seulement 50 qubits peuvent représenter 10 000 000 000 000 000 nombres. Un ordinateur classique aurait besoin d'une mémoire à l'échelle du pétaoctet pour stocker ce nombre.

Ainsi, une façon d'atteindre la suprématie quantique consiste à créer un système pouvant prendre en charge 49 qubits dans une superposition d'états. Ce système n'a pas besoin d'effectuer de calculs complexes, il doit juste être capable d'explorer de manière fiable tout l'espace d'une superposition de 49 qubits. L'objectif de Neill et Roushan est donc de créer une superposition de 49 qubits.

C'est plus facile à dire qu'à faire. Mais le travail qu'ils annoncent aujourd'hui est une preuve de principe.

Leur approche est simple. Les qubits sont des objets quantiques qui peuvent exister dans deux états en même temps, et il existe de nombreuses façons de les fabriquer. Par exemple, les photons peuvent être polarisés à la fois verticalement et horizontalement, les noyaux atomiques peuvent tourner avec leur axe vers le haut et vers le bas en même temps, les électrons peuvent voyager le long de deux chemins en même temps. Les physiciens expérimentent tous ces systèmes pour l'informatique quantique.

Neill et Roushan ont cependant choisi une voie différente. Leur système quantique est un qubit supraconducteur. Il s'agit essentiellement d'une boucle de métal refroidie à basse température. Définissez un courant circulant dans cette boucle et il circulera pour toujours - un phénomène quantique connu sous le nom de supraconductivité.

Mais cette nature quantique conduit à une astuce : le courant peut circuler dans un sens et dans l'autre en même temps. Et c'est ce qui lui permet d'agir comme un qubit qui peut représenter simultanément un 0 et un 1.

Le gros avantage des qubits supraconducteurs est qu'ils sont relativement faciles à contrôler et à mesurer. Ils peuvent également être liés les uns aux autres lorsque plusieurs boucles sont côte à côte sur une puce. Cette mise en relation des voisins est plus difficile et nécessite une autre astuce.

Le passage du courant dans un sens ou dans l'autre n'est qu'une configuration basse énergie. Mettez plus d'énergie et d'autres états sont également possibles. Ce sont ces états d'énergie plus élevés qui peuvent interagir les uns avec les autres, créant de plus grandes superpositions. De cette manière, des boucles voisines peuvent partager le même état, beaucoup plus complexe.

L'expérience de preuve de principe que Neill et Roushan et co ont réalisée consiste à créer une puce avec neuf boucles voisines et à montrer que les qubits supraconducteurs qu'ils prennent en charge peuvent représenter 512 nombres simultanément.

C'est loin du nombre de qubits requis pour la suprématie quantique, mais l'expérience offre des indices encourageants que cela sera possible.

La grande crainte des physiciens est que ce ne sont pas seulement les nombres mais aussi les erreurs qui augmentent de façon exponentielle dans ces systèmes quantiques. Si les erreurs augmentent trop rapidement, elles submergeront le système, rendant la suprématie quantique impossible.

Le résultat clé de cette expérience est de montrer que les erreurs ne s'échelonnent pas rapidement dans ces puces supraconductrices. Au lieu de cela, l'équipe a montré que les erreurs augmentaient lentement d'une manière qui devrait permettre la superposition significative jusqu'à 60 qubits. Ces résultats fournissent des preuves prometteuses que la suprématie quantique peut être réalisable en utilisant la technologie existante, disent les chercheurs.

C'est un travail intéressant. Cela suggère clairement que la suprématie quantique devrait être possible avec une puce qui contient 50 boucles supraconductrices au lieu de seulement neuf. Faire une telle puce devrait être simple - en effet, il est difficile d'imaginer que l'équipe n'en forge pas une en ce moment.

Mais il y a une mise en garde importante. Une puce de 50 qubits ne sera possible que si les erreurs continuent à évoluer comme l'a montré l'équipe. Et cela soulève une question importante. L'équipe a montré comment les erreurs évoluent lorsque le nombre de qubits passe de cinq à neuf. Mais les erreurs évolueront-elles de la même manière que les qubits passeront de neuf à 50 ?

Sinon, la suprématie quantique est encore loin. Mais s'ils le font, cette équipe espère revendiquer la suprématie quantique dans les mois à venir.

C'est donc une question à laquelle Neill, Roushan et co vont travailler dur pour répondre en ce moment. Nous attendons avec impatience de vous faire part de leurs résultats.

Réf : arxiv.org/abs/1709.06678 : Un plan pour démontrer la suprématie quantique avec des qubits supraconducteurs

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