La frontière quantique

En mai 1981, lors d'une conférence organisée par le Laboratoire d'informatique du MIT, Richard Feynman '39 a décrit un dispositif théorique qu'il a appelé un ordinateur quantique, qui effectuerait des calculs en exploitant le comportement étrange de la matière à très petite échelle. Les physiciens théoriciens ont repris l'idée, montrant que les ordinateurs quantiques pouvaient, en principe, faire tout ce que les ordinateurs ordinaires pouvaient faire et arguant qu'ils pourraient être capables de faire certaines choses beaucoup, beaucoup plus rapidement. Pourtant, pendant plus d'une décennie, le calcul quantique est resté, pour tous les passionnés, à l'exception de quelques-uns, un sujet de spéculation oisive.

De gauche à droite : les professeurs Peter Shor, Scott Aaronson et Edward Farhi

Cela a changé de façon spectaculaire en 1994, lorsque Peter Shor, PhD '85, maintenant professeur de mathématiques appliquées au MIT, a décrit un algorithme quantique pour trouver les facteurs premiers d'un nombre. Un ordinateur quantique exécutant l'algorithme de Shor serait capable d'effectuer des tâches de factorisation que les ordinateurs d'aujourd'hui ne pourraient pas terminer du vivant de l'univers. Étant donné que la difficulté de factoriser de grands nombres est tout ce qui garantit la sécurité de la plupart des systèmes cryptographiques modernes, le reste du monde - et en particulier des organisations comme la National Security Agency - a dû en tenir compte. Shor a montré que si vous pouviez construire des ordinateurs quantiques, alors il y aurait des gens qui voudraient les acheter, explique Seth Lloyd, professeur de génie mécanique qui étudie l'informatique quantique. L'algorithme de Shor a constitué l'application qui a attiré tout le monde.

Bien que les ordinateurs quantiques à usage général entièrement fonctionnels soient probablement dans des décennies, l'algorithme de Shor a transformé le calcul quantique en un domaine de recherche grouillant. Aujourd'hui, selon Lloyd, le nombre de chercheurs dans le monde travaillant sur l'informatique quantique est probablement d'environ 5 000. Je pense que si nous obtenons 300 autres membres à l'American Physical Society, nous serons une division de l'American Physical Society, dit-il. Et à tous égards, de la découverte de nouveaux algorithmes à l'imagination de nouveaux types d'ordinateurs, les chercheurs du MIT sont au cœur de la mêlée.

Possibilité quantique

L'informatique quantique est enracinée dans le mystère central de la physique quantique : que de minuscules particules de matière peuvent habiter plusieurs états apparemment mutuellement exclusifs en même temps. Tirez un seul photon - une particule de lumière - sur une barrière avec deux fentes, et il passera à travers les deux fentes à la fois. Les électrons ont une propriété appelée spin, qui peut être considérée comme une rotation dans le sens horaire ou antihoraire, mais un seul électron peut tourner simultanément dans le sens horaire et antihoraire. Cette capacité d'être dans plus d'un état à la fois, que les physiciens appellent la superposition, est, comme Feynman l'a dit un jour, impossible, absolument impossible, à expliquer de manière classique. Pour rendre les choses encore plus étranges, si vous avez une particule quantique qui se trouve dans plusieurs états à la fois et que vous effectuez des mesures dessus, elle s'enclenche instantanément dans un seul de ces états. Et lequel d'entre eux il suppose est totalement aléatoire. (C'est la base d'une autre citation célèbre de la physique - l'insistance d'Einstein, contre les dictons de la physique quantique, que Dieu ne joue pas aux dés avec l'univers.)

En informatique, l'unité fondamentale de l'information est le bit, qui peut prendre l'une des deux valeurs, généralement exprimées sous la forme 0 et un . Les pionniers de l'informatique quantique ont réalisé que, puisqu'une particule quantique peut être dans deux états à la fois, elle pourrait représenter 0 et un en même temps. Deux bits quantiques - ou qubits - pourraient représenter quatre valeurs, trois d'entre eux huit, quatre d'entre eux 16, et ainsi de suite. Un seul calcul impliquant N qubits serait comme faire 2 N calculs à la fois.

Supposons cependant que vous ayez huit qubits, représentant les résultats de 256 calculs simultanés. Si vous effectuez une mesure sur les qubits, la superposition s'effondre : chaque qubit prend immédiatement une valeur de soit 0 ou un . Il ne vous reste qu'une seule des 256 possibilités initiales, et celle-là choisie au hasard. Comment garantissez-vous que c'est celui que vous voulez ?

Le premier algorithme quantique

C'est la question à laquelle Shor a répondu, dans ce qui reste le résultat majeur dans notre domaine, selon Edward Farhi, directeur du Center for Theoretical Physics du MIT, qui fait également des recherches sur le calcul quantique.

Lorsqu'une particule en superposition prend au hasard un seul état, elle le fait selon certaines probabilités : au fil du temps, les particules s'accrocheront plus souvent à certains états que d'autres. Ces probabilités peuvent être représentées sous la forme d'une courbe qui ressemble beaucoup à la crête d'une vague. Il s'avère que les mêmes mathématiques qui décrivent la physique des ondes décrivent également la physique des probabilités quantiques.

Lorsque les ondes entrent en collision, elles interfèrent les unes avec les autres, de manière constructive ou destructive. Si deux crêtes se croisent, le résultat est une crête plus grande ; si une crête croise un creux, elles s'annulent. Shor a trouvé une manière ingénieuse de représenter le problème de la factorisation avec des ondes de probabilité, de sorte que les bonnes réponses auraient tendance à se renforcer mutuellement tandis que les mauvaises disparaîtraient essentiellement. Le résultat est toujours une vague de probabilité, mais lorsque la superposition s'effondre, il y a de fortes chances que vous obteniez la bonne réponse.

Shor a commencé à travailler sur l'algorithme en 1993, alors qu'il était au centre de recherche Bell Labs d'AT&T, après avoir entendu une conférence sur l'informatique quantique par Umesh Vazirani '81, professeur à l'Université de Californie à Berkeley. Ne pas travailler dessus à temps plein, bien sûr, dit-il. En fait, je n'ai vraiment dit à personne que j'y travaillais jusqu'à ce que je le trouve.

En fait, le premier algorithme quantique dont Shor a parlé à quiconque, en avril 1994, était un algorithme de calcul de logarithmes, un problème étroitement lié à la factorisation. J'ai donné une conférence sur l'algorithme aux Bell Labs un mardi, dit-il. Ce samedi-là, j'étais à la maison avec un gros rhume, et Umesh Vazirani m'a appelé de Californie, très excité, et m'a dit : « J'ai entendu dire que vous savez comment factoriser avec un ordinateur quantique. » En fait, il l'a fait : dans l'intervalle de quatre jours, il avait adapté son algorithme à ce problème même. le Économiste m'a interviewé peu de temps après, dit Shor. Bientôt, je recevais des tonnes d'e-mails sur l'algorithme, et je n'avais toujours pas encore écrit le papier. Quand il a donné sa première conférence publique à ce sujet à Cornell début mai, dit-il en riant, quelqu'un de la NSA m'en a parlé par la suite.

Exploiter la technologie IRM

Quand Seth Lloyd est arrivé au MIT en 1994, j'avais écrit un tas d'articles sur l'informatique quantique, dit-il. Moi et peut-être cinq ou six autres personnes y travaillions avant 1994. Pour Lloyd, l'annonce de l'algorithme de Shor a eu un effet très concret : cela a rendu beaucoup plus facile l'obtention de la titularisation.

L'un des articles que Lloyd avait publiés, en La science en 1993, a proposé la première conception réalisable d'un ordinateur quantique. Vous pourriez le considérer comme une tasse pleine de molécules, dit-il. Dans chaque molécule, les qubits étaient représentés par différents types d'atomes, et toutes les molécules de la tasse effectuaient le même calcul en même temps.

Dans des recherches distinctes, le professeur invité David Cory et Neil Gershenfeld, chef du groupe Physique et médias du Media Lab, ont montré que la conception de Lloyd pouvait être réalisée à l'aide de la résonance magnétique nucléaire (RMN), le phénomène sous-jacent à l'imagerie par résonance magnétique. Un aimant puissant alignerait les spins des atomes constituant les molécules. Différentes fréquences d'ondes radio pourraient alors mettre certains atomes en superposition et inverser les spins des autres. Les électrons avec des spins définis représenteraient des données, et les spins en superposition représenteraient les résultats de plusieurs opérations effectuées sur ces données.

En 1998, Gershenfeld s'est associé à Isaac Chuang '90, '91, SM '91, puis au IBM Almaden Research Center à San Jose, Californie, et Mark Kubinec de UC Berkeley pour construire le premier système informatique utilisant la RMN pour exécuter un quantum algorithme. Il avait deux qubits.

En 2000, Chuang est retourné au MIT, où il est maintenant professeur de physique, de génie électrique et d'informatique. L'année suivante, lui et ses collègues d'IBM ont construit un ordinateur RMN à sept qubits qui a exécuté avec succès l'algorithme de Shor pour la première fois. Il a déterminé que les facteurs premiers de 15 sont très probablement trois et cinq.

Un problème avec l'informatique quantique RMN est que puisque les qubits sont représentés par différents atomes dans une même molécule, des calculs plus complexes nécessitent des molécules plus complexes. Mais plus la molécule est grosse, plus son champ électromagnétique est fort, et plus il est difficile de distinguer le signal électromagnétique produit par un seul atome. Certains chercheurs étudient de minuscules capteurs capables de lire les signaux magnétiques de molécules individuelles. Mais Chuang, entre autres, s'est tourné vers les ordinateurs quantiques qui utilisent des ions piégés dans des champs électromagnétiques comme qubits, une technique proposée en 1995 par des chercheurs de l'université autrichienne d'Innsbruck.

L'informatique quantique à piège ionique utilise des champs magnétiques rotatifs pour isoler des molécules individuelles, et la lumière laser plutôt que des impulsions radio pour modifier les états quantiques des molécules. Bien que cela donne aux chercheurs un contrôle plus précis sur les qubits que les techniques RMN existantes, cela l'exige également. Les électrons en orbite autour d'un noyau peuvent être dans différents états d'énergie. Ajoutez suffisamment d'énergie à un électron et il passera au niveau d'énergie suivant ; s'il perd juste un peu d'énergie, il retombera. L'informatique quantique à piège ionique nécessite de maintenir les électrons dans des états d'énergie différents et précisément spécifiés. C'est si délicat que certains chercheurs ont commencé à se demander s'il pouvait y avoir un ordinateur quantique qui resterait simplement dans son état d'énergie le plus bas.

Une approche adiabatique

En 2000, les physiciens du MIT Edward Farhi et Jeffrey Goldstone, Michael Sipser du département de mathématiques et Sam Gutmann, '73, PhD '77 de Northeastern, ont proposé un nouveau type d'ordinateur quantique, appelé ordinateur quantique adiabatique, qui est toujours à sa plus basse énergie. Etat. (Les objets ont tendance à rechercher les états d'énergie les plus bas qu'ils peuvent trouver, donc les états à basse énergie ont tendance à être plus stables que les états élevés.) L'article n'a pas précisé comment les qubits seraient réalisés. Mais il était basé sur la reconnaissance que les solutions aux problèmes informatiques pouvaient être représentées comme les états d'énergie les plus bas d'un système physique.

Deux aimants, par exemple, auront tendance à aligner le pôle nord sur le pôle sud car cela prend moins d'énergie que de forcer les pôles nord ensemble. Un tas d'aimants placés arbitrairement sur une planche va donc se mettre à basculer pour qu'un maximum d'aimants soient alignés nord-sud. En théorie, si vous placez les aimants dans le bon motif et définissez leurs orientations initiales de la bonne manière, vous pouvez coder un problème de calcul. Au fur et à mesure que les aimants se retournaient pour trouver leur orientation à la plus basse énergie, ils convergeraient vers la solution du problème. L'informatique quantique adiabatique est similaire, mais elle pourrait explorer de nombreuses solutions possibles simultanément, car elle utiliserait des qubits plutôt que des aimants.

Avec l'informatique quantique adiabatique, un système physique de mécanique quantique serait mis en place dans son état d'énergie le plus bas, appelé état fondamental. Initialement, le système encoderait un problème beaucoup plus simple que celui qu'il est censé résoudre. Mais au fil du temps, certains paramètres de contrôle du système, par exemple la force de son champ électromagnétique, seraient progressivement modifiés, jusqu'à ce que le système finisse par coder le problème le plus difficile. Si le changement se produisait assez lentement, le système resterait dans son état fondamental, il finirait donc par représenter la solution au problème.

Certaines personnes pensent que si vous aviez un ordinateur quantique qui devait rester dans son état fondamental, disons en le rendant très froid, cela pourrait rendre le système un peu moins sujet aux erreurs, dit Farhi. Parce que si vous avez toujours froid et que vous êtes toujours dans l'état fondamental, c'est probablement un endroit plus facile à vivre que dans un état excité que vous devez contrôler soigneusement.

Le problème avec l'approche adiabatique est que le système doit changer lentement pour l'empêcher de passer à un état d'énergie plus élevé, et personne ne sait à quel point c'est assez lent. Si c'est infiniment lent, nous savons que cela fonctionnera, dit Farhi. Mais si le système doit évoluer trop lentement, il n'offrira aucun avantage par rapport aux ordinateurs conventionnels.

Farhi continue d'étudier la question de savoir à quelle vitesse un système informatique quantique adiabatique peut changer, à la fois par la modélisation informatique de systèmes relativement simples et par l'analyse mathématique. Pendant ce temps, en 2002, Lloyd et Bill Kaminsky, un étudiant diplômé de son groupe, ont proposé un moyen de réaliser un ordinateur quantique adiabatique utilisant des circuits électriques supraconducteurs, dans lesquels le flux de courant peut être en superposition : effectivement, le courant circule dans le sens horaire et antihoraire à une fois. La direction du flux de courant représente la valeur d'un qubit, et l'énergie totale du système dépend de la direction du flux de courant dans les circuits adjacents. Lorsqu'un champ magnétique est appliqué, les courants se superposent. Lorsqu'il est mesuré, le système passe ensuite à son état d'énergie le plus bas, révélant la réponse. Deux ans plus tard, Lloyd; Wim van Dam, post-doctorant dans le groupe Farhi ; et quatre autres chercheurs de quatre universités différentes ont prouvé qu'un ordinateur quantique adiabatique pouvait, en principe, effectuer n'importe quel calcul qu'un ordinateur quantique conventionnel pouvait.

En 2007, une entreprise de Burnaby, en Colombie-Britannique, a fait la démonstration d'un ordinateur quantique adiabatique de 16 qubits utilisant des circuits supraconducteurs. Fin 2008, la société D-Wave a annoncé qu'elle avait atteint le nombre de qubits jusqu'à 128. De nombreux experts ont été sceptiques, mais dans un La nature article publié plus tôt cette année, les chercheurs de D-Wave ont démontré que leur cellule de huit qubits présentait des effets quantiques. La société a levé plus de 65 millions de dollars de financement et, en mai, elle a vendu son premier appareil commercial, un D-Wave One de 128 qubits, à Lockheed Martin.

Dépasser les supercalculateurs

Une partie du problème avec les démonstrations comme celle de D-Wave, ou même avec les ordinateurs quantiques RMN comme celui de Chuang, est que les circuits quantiques sont trop simples pour effectuer des calculs que les ordinateurs conventionnels ne peuvent pas faire. Scott Aaronson, professeur agrégé d'informatique qui, à 30 ans, est le plus jeune des chercheurs en informatique quantique de haut niveau du MIT, essaie de résoudre ce problème, comme il le dit, en rencontrant les expérimentateurs à mi-chemin.

En 2011, Aaronson et son étudiant diplômé Aleksandr Arkhipov ont proposé une expérience qui, si elle fonctionnait, effectuerait un calcul que même le plus puissant des superordinateurs d'aujourd'hui ne pourrait effectuer. La configuration expérimentale devrait, selon lui, être beaucoup plus simple à construire qu'un ordinateur quantique à grande échelle.

L'expérience utiliserait une série de séparateurs de faisceaux, des dispositifs utilisés dans les réseaux optiques pour diviser les faisceaux laser en deux. En 1987, des physiciens de l'Université de Rochester ont découvert que si deux photons arrivaient à un séparateur de faisceau exactement au même moment, les interactions de la mécanique quantique forceraient les deux à aller à droite ou à gauche. Ils ne sortiraient jamais, comme le prédit la loi des probabilités, du séparateur de faisceau dans des directions différentes.

Aaronson et Arkhipov proposent d'acheminer un nombre fini de photons—disons 20—à travers une série de séparateurs de faisceaux vers un ensemble de détecteurs de lumière—disons, environ 400. Le calcul de la fréquence à laquelle différents nombres de photons arriveraient à différents détecteurs dépasse probablement la capacité de calcul de tous les ordinateurs du monde. Mais, Aaronson et Arkhipov l'ont prouvé, il en va de même pour le calcul de résultats statistiquement plausibles pour même quelques dizaines d'exécutions de l'expérience. C'est un problème, cependant, que quelques dizaines d'essais réussis résoudraient.

Lorsqu'ils ont décrit leur expérience pour la première fois, Terry Rudolph, chercheur de pointe au sein du groupe d'optique quantique et de science laser de l'Imperial College de Londres, a déclaré qu'elle avait le potentiel de nous faire dépasser ce que j'aimerais appeler la « singularité quantique », où nous faisons la première chose quantiquement que nous ne pouvons pas faire sur un ordinateur classique.

Les physiciens expérimentaux de plusieurs universités ont relevé le défi d'Aaronson et Arkhipov et sont convaincus que dans un délai relativement court, ils feront fonctionner l'expérience avec peut-être quatre photons. Une version avec 20 photons prendra plus de temps, et un ordinateur quantique pleinement fonctionnel pourrait prendre encore plus de temps. Mais lorsque cet ordinateur sera enfin construit et que l'histoire de son invention sera écrite, les premiers chapitres seront constellés des noms des professeurs du MIT.

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