Lumière comprimée et vitesses d'horloge quantiques

L'ordinateur le plus rapide au monde est le supercalculateur Tianhe-2 du National Super Computer Center de Guangzhou, en Chine. Il se compose de 16 000 nœuds informatiques, chacun doté de deux processeurs Intel Ivy Bridge Xeon et de trois coprocesseurs Xeon Phi. Ensemble, ceux-ci le rendent capable de 33,86 quadrillions de calculs en virgule flottante par seconde, plus que toute autre machine informatique sur la planète.

De toute évidence, les ressources disponibles pour effectuer un calcul sont le facteur crucial de sa performance, et le nombre de calculs par seconde est un bon indicateur de la puissance d'un ordinateur.

Mais quantifier la puissance d'un ordinateur quantique est beaucoup plus difficile. Ces appareils informatiques peuvent effectuer des calculs qui dépassent le niveau des machines de traitement ordinaires. Et pourtant, les ressources dont ils ont besoin pour faire cette astuce sont mal connues.

Certes, le nombre de bits quantiques en jeu est crucial, mais la quantité d'intrication impliquée par le calcul l'est tout autant. Et cela mène à un casse-tête : certains types de calcul quantique nécessitent des niveaux élevés d'intrication tandis que d'autres n'en nécessitent presque aucun pour faire des choses similaires. Alors, quelle est la ressource qui donne aux calculs quantiques leur pouvoir spécial ?

Aujourd'hui, nous obtenons une sorte de réponse grâce au travail de Nana Liu de l'Université d'Oxford au Royaume-Uni et de quelques amis qui ont trouvé un moyen d'évaluer les performances des ordinateurs quantiques en utilisant un seul paramètre qui fonctionne comme une sorte de quantum vitesse de l'horloge. Cela permet pour la première fois de comparer différents types de calcul quantique sur un pied d'égalité.

Tout d'abord un peu de contexte. L'idée de base derrière le calcul quantique est qu'un objet quantique peut exister dans une superposition d'états et donc sous la forme d'un 0 et d'un 1 en même temps. Ces informations peuvent être combinées avec celles portées par un autre objet quantique pour effectuer un calcul. Mais au lieu d'un calcul unique, un calcul quantique permet à deux calculs ou plus de se dérouler en même temps, un pour chacun des nombres en superposition.

C'est l'origine de l'accélération possible avec les ordinateurs quantiques. Et tandis qu'un bit quantique peut gérer deux nombres, deux bits quantiques peuvent gérer quatre nombres, trois qubuts huit nombres, quatre qubits 16 nombres, etc. Ainsi, les calculs quantiques évoluent de manière exponentielle avec le nombre de qubits.

Mais il y a un autre facteur à cela : la façon dont les qubits sont combinés et manipulés. Une façon de faire est d'enchevêtrer les qubits. L'intrication est le curieux processus par lequel deux objets quantiques deviennent si étroitement liés qu'ils partagent la même existence. Ainsi, une mesure effectuée sur l'un influence instantanément l'autre, quelle que soit la distance.

Cela permet d'effectuer des calculs, comme l'affacturage, à des vitesses qui feraient ressembler le Tianhe-2 à une calculatrice de poche. (Du moins en théorie. Les physiciens n'ont pas encore tout à fait surmonté les défis techniques importants liés à la construction d'ordinateurs quantiques puissants.)

Mais dans certains types de calcul quantique, très peu d'intrication, voire aucune, semble nécessaire. Un exemple notable est appelé calcul quantique déterministe avec un qubit. Cela peut résoudre certains types de calculs plus rapidement que n'importe quel ordinateur ordinaire. Mais personne ne sait à quel point cette saveur de calcul est plus ou moins puissante par rapport à, disons, l'affacturage quantique, car il n'y a jamais eu de moyen de les comparer. Jusqu'à maintenant.

Lui et co ont découvert une toute nouvelle façon d'effectuer des calculs quantiques qui permet pour la première fois de comparer les différentes saveurs de calcul. Leur approche repose sur un phénomène appelé compression quantique. C'est une façon de manipuler les photons intriqués pour réduire le bruit de fond du vide qui leur est associé.

L'astuce est basée sur le principe d'incertitude de Heisenberg, à savoir qu'il est possible de mesurer avec précision la position d'un photon ou son impulsion, mais pas les deux en même temps. Il en va de même pour d'autres propriétés quantiques telles que l'énergie et le temps ou l'angle et le moment cinétique - il y a toujours un compromis entre connaître l'une ou l'autre.

Ce principe permet aux physiciens de réduire le bruit associé aux photons intriqués lorsqu'ils sont détectés en les rendant moins mesurables ailleurs, un processus connu sous le nom de compression quantique. C'est extrêmement important car la réduction de la quantité de bruit permet d'effectuer des mesures beaucoup plus précises. Et la quantité de compression est exactement quantifiable, il est donc facile de voir quelle quantité de cette propriété quantique est utilisée.

Cela a donné une idée à Liu et co. Parce que de nombreuses formes de calcul quantique impliquent des photons, ils ont remplacé les photons ordinaires par des versions comprimées. La quantité impliquée dans chaque calcul pourrait alors être exactement quantifiée par la quantité de compression nécessaire pour les effectuer. Liu et co l'ont mesuré en qumodes, d'où le titre de l'article.

Les résultats rendent la lecture intéressante. Liu et co disent que le calcul quantique déterministe avec un qubit nécessite une compression nulle et se situe donc au bas de la hiérarchie des vitesses d'horloge quantiques.

En revanche, la quantité de compression nécessaire pour la factorisation quantique dépend de la taille du nombre factorisé. En effet, la quantité de compression augmente de façon exponentielle à mesure que le nombre augmente.

Cela permet de comparer pour la première fois ces deux formes de calcul quantique. Cela introduit une nouvelle perspective dans laquelle réfléchir aux hiérarchies dans les algorithmes quantiques, disent Liu et co.

Cela devrait être pratique à l'avenir. Et il y a un corollaire intéressant qui implique l'informatique quantique actuellement effectuée par des organisations telles que Google et la NASA grâce à un appareil informatique vendu par une société appelée D-Wave Systems.

Cette machine utilise le recuit quantique pour calculer, mais elle est extrêmement controversée. D-Wave insiste sur le fait que la machine est exponentiellement plus rapide que les ordinateurs conventionnels pour certains types de calcul. Mais de nombreux physiciens sont profondément sceptiques, affirmant qu'il lui manque la quantité essentielle nécessaire pour réaliser les prouesses informatiques revendiquées.

Peut-être que la nouvelle approche de compression quantique peut aider. S'il fournit un moyen équitable de comparer les performances de la machine de D-Wave avec d'autres formes d'informatique quantique, alors ce débat pourrait être clos. Et cela devrait permettre de dire avec certitude si cette technique débouchera un jour sur une machine plus puissante que Tianhe-2.

Réf : arxiv.org/abs/1510.04758 : Le pouvoir d'un Qumode

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