Questions-réponses : Geordie Rose de D-Wave

Le 13 février, D-Wave Systems, une startup basée à Burnaby, en Colombie-Britannique, a affirmé avoir fait la démonstration du premier ordinateur quantique commercial au monde.

La froideur quantique : Le processeur 16 qubits d'Orion est montré dans l'image du haut. Il utilise un métal supraconducteur appelé niobium. Lorsqu'ils sont refroidis à 5 millikelvins, ou 0,005 degré au-dessus du zéro absolu, les électrons du supraconducteur en niobium forment des particules appelées paires de Cooper, qui peuvent occuper le même état quantique. Un réfrigérateur à dilution Leiden Cryogenics (image du bas) est utilisé pour refroidir la puce Orion au point que les électrons de son semi-conducteur en niobium entrent dans un état quantique.

Au Computer History Museum de Mountain View, en Californie, Geordie Rose, fondateur et directeur de la technologie de l'entreprise, a montré comment l'ordinateur Orion pouvait rechercher une protéine dans une base de données et trouver la correspondance la plus proche, découvrir la disposition optimale des sièges pour les invités à une réception de mariage et résolvez un puzzle Sudoku.

L'informatique quantique, proposée pour la première fois par les physiciens Paul Benioff et Richard Feynman au début des années 1980, fonctionne en exploitant les étranges ambiguïtés de la mécanique quantique. Selon les lois de la mécanique quantique, l'état d'une particule comme un électron peut être indécis : elle peut être allumée ou éteinte, tournant vers le haut ou vers le bas.

Dans un ordinateur quantique, chaque bit d'information quantique – ou qubit – peut donc être non fixé, une simple probabilité ; cela signifie à son tour que d'une manière mystérieuse, un qubit peut avoir la valeur de un ou de zéro simultanément, un phénomène appelé superposition. Deux qubits peuvent ainsi représenter quatre valeurs différentes (00, 01, 10 et 11 en notation binaire) ; quatre qubits peuvent représenter seize valeurs ; etc. En théorie, un ordinateur quantique pourrait résoudre en moins d'une minute des problèmes qu'il faudrait à un ordinateur classique des millénaires pour résoudre.

À ce jour, la plupart des ordinateurs quantiques ont été des expériences scientifiques plus ou moins réussies. Aucun n'a exploité plus de 12 qubits, et les problèmes que les machines ont résolus ont été insignifiants. Les ordinateurs quantiques ont été des machines compliquées et capricieuses, utilisant des lasers délicats, des pompes à vide et d'autres machines exotiques pour guider leurs qubits.

D-Wave (qui a levé 44 millions de dollars auprès d'investisseurs tels que la société de capital-risque Draper Fisher Jurvetson) affirme avoir réussi à construire un ordinateur quantique pratique en utilisant une conception simple, dérivée de technologies déjà utilisées pour fabriquer des puces informatiques standard. La société décrit l'Orion comme un ordinateur quantique adiabatique de 16 qubits, construit autour d'une puce faite d'un métal appelé niobium qui, lorsqu'il est suffisamment froid, devient un supraconducteur. Réfrigérés dans un bain d'hélium liquide à près de -273 ºC, les électrons du supraconducteur en niobium forment des particules appelées paires de Cooper, qui peuvent occuper le même état quantique, permettant ainsi à Orion de calculer des algorithmes quantiques.

Herb Martin, directeur général de D-Wave, affirme que cette conception simple permettra à l'Orion de passer à une machine de 512 qubits plus tard cette année et à un ordinateur de 1 024 qubits d'ici le milieu de 2008.

Mais les informaticiens spécialisés dans l'informatique quantique ont été profondément sceptiques quant à la démonstration de D-Wave. D-Wave n'a fourni aucune preuve pour étayer ses affirmations : il n'a publié que les détails les plus sommaires sur le fonctionnement interne d'Orion. Ce que savent les informaticiens ne les impressionne pas.

Scott Aaronson, informaticien théoricien à l'Institute for Quantum Computing de Waterloo, en Ontario, et auteur d'un blog très lu intitulé Shtetl-Optimisé , a commencé les injures quand il a dénoncé l'Orion pour être aussi utile pour résoudre les problèmes qu'un sandwich au rosbif.

À propos des affirmations de Geordie Rose selon lesquelles il aurait construit le premier ordinateur quantique pratique, Aaronson a écrit dans un e-mail : Quoi que D-Wave ait pu faire ou non, cela peut être instantanément rejeté comme un battage publicitaire. Si par « pratique », il entend capable de résoudre des problèmes pratiques plus rapidement que les ordinateurs classiques existants, alors c'est clairement faux. S'il veut dire capable de résoudre de petits problèmes de démonstration, il a été battu par des tas de gens. Je ne vois donc aucune interprétation selon laquelle il dit la vérité.

Le ton hargneux d'Aaronson était typique. Umesh Vazirani, professeur d'informatique à l'Université de Californie à Berkeley, a déclaré que D-Wave induit le public en erreur en appelant son appareil 'un ordinateur quantique pratique'. , quelque chose que D-Wave n'a pas accompli.

Quelque chose a résolu les problèmes lors de la démonstration, mais ce n'est peut-être pas nécessairement un ordinateur quantique. En particulier, les informaticiens ne savent pas dans quelle mesure l'Orion corrige le crescendo d'erreurs, causé par le bruit thermique et la décohérence des qubits, qui accompagne tout calcul quantique. Ces erreurs doivent être soigneusement gérées pour qu'un ordinateur quantique fonctionne. En effet, selon tous les informaticiens à qui Examen de la technologie parlé, parce que l'Orion peut fonctionner comme un ordinateur analogique plutôt lent, il est possible que l'Orion n'ait pas vraiment effectué d'opérations quantiques lors de sa démonstration au Computer History Museum.

D-Wave a-t-il vraiment implémenté un ordinateur quantique à 16 qubits, ou leurs qubits se désintègrent-ils si rapidement qu'ils implémentent en fait un algorithme classique ? demanda Vazirani. D-Wave n'a fourni aucune preuve en faveur de la première possibilité par rapport à la seconde.

Les scientifiques les plus généreux en informatique quantique reconnaîtront que D-Wave a fait un pari intéressant.

Je ne connais pas grand-chose aux affaires, mais j'imagine que le raisonnement de D-Wave est quelque chose comme le suivant, a déclaré Seth Lloyd, professeur de génie mécanique au MIT, qui a proposé la première conception technologiquement faisable pour un ordinateur quantique. Disons que les chances sont de 10 pour 1 contre le fonctionnement de l'informatique quantique adiabatique, donc l'entreprise est susceptible d'échouer. Mais si cela réussit, alors ils nettoieront. Ce que D-Wave fait a peu de chances de réussir, mais ce n'est pas chimérique.

Nous avons demandé à Geordie Rose de défendre l'Orion auprès de ses détracteurs.

Jason Pontin : Avez-vous, en fait, fait la démonstration du premier ordinateur quantique pratique au monde ?

Géordie Rose : Oui.

JP : Eh bien, c'est clair. Un ordinateur adiabatique vraiment tolérant aux pannes est-il un ordinateur quantique ?

GR : Oui.

JP : Cela soulève cette question, j'en ai peur : l'Orion est-il tolérant aux pannes ?

GR : Oui c'est le cas.

JP : Vraiment?

GR : Si vous voulez que je développe, je peux.

JP : Ce serait bien.

GR : Il y a ici deux concepts différents. La tolérance aux pannes consiste avant tout à savoir si le processeur continuera à fonctionner comme il a été conçu en présence de pannes. Dans le système que nous avons utilisé pendant la démo, la puce avait 2 composants cassés sur 56, et la chose fonctionnait à merveille en présence de ces défauts. L'Orion est donc absolument tolérant aux pannes. Il n'en est pas question. Nous l'avons démontré. Mais je pense que vous vous posez vraiment la question de la décohérence.

JP : Je suis.

GR : La présence de bruit dans un ordinateur quantique peut provoquer des erreurs. Si vous voulez faire fonctionner un ordinateur quantique de manière cohérente, pour pouvoir faire tout ce qu'un ordinateur quantique peut faire, vous devez supprimer activement les erreurs. Dans notre approche, le modèle adiabatique, la physique du dispositif est assez différente des ordinateurs quantiques classiques comme les modèles de portes. Pour qu'une erreur se produise dans notre approche, vous devez fournir une certaine quantité d'énergie que les physiciens appellent un écart énergétique. Si le bruit n'a pas au moins cette quantité d'énergie, il ne peut rien faire de mal. Donc, si vous ne fournissez pas cette quantité d'énergie, il existe un espace naturel qui protège le système du bruit. Les ordinateurs quantiques adiabatiques sont connus pour être beaucoup plus robustes au bruit que les autres approches.

JP : Êtes-vous vraiment en train de prétendre que l'Orion peut résoudre des problèmes NP-complets ? [Les problèmes NP-complets, dont le plus célèbre est le problème du voyageur de commerce, sont les problèmes les plus difficiles de la théorie de la complexité pour lesquels une solution pourrait être vérifiée efficacement. Très courantes dans la vie réelle, elles sont difficiles à résoudre car leur solution semble nécessiter de considérer chaque permutation d'un ensemble de variables, ce qui prend un temps qui augmente de manière exponentielle avec le nombre de variables. Les informaticiens doutent que les problèmes NP-complets puissent être résolus dans un laps de temps raisonnable. Rose a suscité la controverse en affirmant que l'Orion pourrait créer des solutions approximatives qui sont assez bonnes pour les affaires.]

GR : Il les résout dans le sens où il fournit des solutions approximatives aux choses qui sont assez bonnes dans le sens où elles répondent aux exigences de l'utilisateur. Ces classes de problèmes sont omniprésentes dans les affaires. On soupçonne qu'aucune machine, quelle qu'elle soit, ne peut résoudre efficacement et exactement ces types de problèmes, du moins dans le pire des cas. Mais c'est une définition trop restrictive de ce que la résolution signifie. Généralement, si une entreprise a un de ces problèmes intégré dans ses opérations quotidiennes, elle utilise ce qu'on appelle une heuristique pour le résoudre, qui est un ensemble de règles empiriques qui donne rapidement de bonnes solutions approximatives. Notre machine a pour objectif de rivaliser avec ces heuristiques. Nous ne prétendons pas que nous pouvons résoudre exactement et efficacement les pires problèmes, non, mais nous sont affirmant que cette chose sera compétitive et finira par dépasser toutes les approches conventionnelles pour résoudre ces ensembles de problèmes.

JP : Je ne suis pas mathématicien, mais j'en joue un à la télé. Qu'en est-il du théorème PCP qui dit qu'une solution approximative dans ces cas est aussi difficile que la meilleure solution ?

GR : Cela dépend de ce que vous entendez par approximatif.

JP : Eh bien, dis-moi quoi vous entend par approximatif. Geordie Rose utilise-t-il approximatif dans un sens particulier que personne d'autre n'utilise ?

GR : Approximatif signifie quelque chose de spécifique en informatique. Ce n'est pas la façon dont le terme est utilisé de manière conventionnelle dans les affaires. Alors, disons que vous n'avez pas encore choisi d'itinéraire à travers un tas de villes -

JP : Le problème du voyageur de commerce ?

GR : Oui, par exemple. Tout itinéraire est une solution. Tout itinéraire est aussi un approximatif Solution. La qualité de la solution approximative est en quelque sorte la différence entre celle que vous avez et la meilleure possible. Ainsi, au fur et à mesure que les solutions s'améliorent, elles deviennent de moins en moins approximatives. Donc, ce que les informaticiens ont tendance à vouloir dire par approximatif dans ces cas est quelque chose de très spécifique sur la grandeur de l'approximation, et ils ont tendance à signifier quelque chose qui est très proche de l'exact.

JP : Vous voulez dire que lorsque vous utilisez approximatif dans ce sens, vous utilisez le mot comme l'utiliseraient les gens d'affaires, et non comme l'utiliseraient les informaticiens ?

GR : C'est le même sens que les gens utilisent lorsqu'ils résolvent ces problèmes aujourd'hui. Vous avez besoin d'une solution ; vous en préféreriez une qui soit la meilleure solution possible avec les ressources dont vous disposez, et qui est par définition une solution d'approximation. Vous aimeriez que ce soit mieux, mais ces choses ne vous sont pas disponibles en raison de la nature du problème. Donc, cette machine particulière que nous avons construite est conçue pour rivaliser avec les machines qui offrent ce type de solutions.

JP : Scott Aaronson a dit que l'Orion était aussi utile qu'un sandwich au rosbif. Vous pensez évidemment que c'est insultant ; mais n'admettriez-vous pas que votre ordinateur n'est pas très utile puisqu'il résout les problèmes plus lentement qu'un ordinateur classique ?

GR : Le but de la démo n'était pas de montrer la supériorité des performances individuelles par rapport aux systèmes conventionnels. Le but était de faire une preuve de concept de systèmes et d'exécuter des applications commercialement relatives sur un ordinateur quantique, ce qui n'a même jamais été fait auparavant, même pas proche. C'est bien au-dessus de l'état de l'art. Ainsi, en termes de temps réel nécessaire pour résoudre les problèmes, Orion tel qu'il se présente actuellement est environ 100 fois plus lent qu'un PC exécutant les meilleurs algorithmes. Si vous étiez un expert, vous pourriez définir un bon algorithme sur le Web, dépenser 1 000 $ sur un PC, et vous pourriez battre le système d'un facteur 100. Donc, dans ce sens, Scott a raison, même si ce n'est pas la question.

JP : Bon, à quoi ça sert alors ?

GR : Le fait est que la démonstration montre un chemin clair d'où nous sommes aujourd'hui vers l'avenir. Ces futures machines seront nettement meilleures.

JP : Le plan est de faire la démonstration d'une machine de 1 024 qubits en 2008 ?

GR : Oui, d'ici la mi-2008. Mais avant cela, nous aurons un système en ligne que les gens pourront utiliser, pour lequel ils pourront programmer des applications.

JP : Cela semble incroyablement rapide. Comment allez-vous le faire?

GR : Eh bien, il y a trois choses à faire.

La première est que la conception que vous utilisez pour le processeur, en particulier les systèmes d'entrée-sortie, doit être évolutive, non seulement en principe mais en pratique. La plupart des propositions avancées pour les architectures d'informatique quantique, en fait toutes jusqu'à présent, ne sont pas évolutives dans ce sens. Dans notre cas, nous pensons avoir trouvé la voie vers une réelle évolutivité du matériel. La principale chose qui doit être surmontée est la question de savoir comment faire entrer et sortir les informations de la puce. Nous pensons avoir trouvé un moyen de contourner ce problème.

La deuxième chose est de savoir comment vous le construisez, et c'est un problème de fabrication. Une partie de la raison pour laquelle nous avons choisi l'approche que nous avons choisie est que les circuits que nous utilisons comme base pour ces choses peuvent être conçus, construits et testés à l'aide de procédures standard de semi-conducteurs. Nous n'avons donc pas besoin d'inventer de nouvelle technologie de fabrication, sauf pour lancer le processus en premier lieu.

La troisième chose, qui est probablement la question la plus difficile à répondre, est la suivante : étant donné que nous pouvons le construire et envoyer des informations à l'intérieur et à l'extérieur de celui-ci, continuera-t-il en fait à fonctionner comme un ordinateur quantique ? C'est un point auquel nous ne pouvons tout simplement pas répondre à l'heure actuelle car personne n'a été en mesure de modéliser des systèmes à ce niveau avec une quelconque capacité prédictive. C'est trop compliqué. C'est une question à laquelle on ne peut répondre que de manière empirique. Notre philosophie est donc de créer un nouveau processeur chaque mois. Supposons que nous ayons 12 générations par an, quelque chose ne semble pas fonctionner ; nous pouvons y remédier grâce à une refonte itérative.

JP : En quoi votre approche commerciale est-elle différente de celle de l'académie ?

GR : L'approche de l'universitaire n'est pas forcément pire que la nôtre, mais elle est différente. Notre approche consiste à jeter autant de qubits que possible sur une puce, à la faire résoudre de vrais problèmes, puis à utiliser les performances sur ces problèmes comme mesure avec laquelle vous évaluez ce qui est mieux et ce qui est pire. Ainsi, lorsque vous augmentez la capacité de la machine, vous augmentez la capacité de la machine à résoudre des problèmes plus rapidement et des problèmes plus importants. Par rapport aux approches académiques, la nôtre est rapide et sale, même si je ne pense pas qu'elle soit moins prudente.

JP : Quels types de choses puis-je faire avec un ordinateur quantique de 1 024 qubits ?

GR : Il y a beaucoup, beaucoup d'applications commerciales existantes qui nécessitent une solution optimale à un problème avec beaucoup de variables. Par exemple, dans la conception de puces, de nombreux problèmes liés à la vérification de la conception matérielle sont de ce type. Il existe également de nombreuses applications en ingénierie financière que les banques d'investissement ont été très intéressées à poursuivre avec nous : des choses comme l'optimisation de portefeuille, la réduction des risques, la sélection et la tarification des dérivés. De plus, chaque problème d'ordonnancement qui existe dans le monde est l'un de ces problèmes. Vous pouvez imaginer quelqu'un comme une compagnie aérienne ou un organisme du gouvernement fédéral qui a dû programmer un grand nombre de personnes où il y a toutes sortes de problèmes quant à savoir qui travaille où et qui a accès à quoi et pourquoi. Ces problèmes créent ces scénarios de résolution de conflits massifs qui ne peuvent tout simplement pas être gérés de nos jours. Ils sont trop difficiles à résoudre dans le laps de temps pendant lequel les gens veulent les résoudre. Je pense que la façon dont cela va se présenter à l'avenir est que toute personne qui a une planification, un routage, une planification, une application important - tout cela applications seront portées sur nos machines, qui seront disponibles en ligne.

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