Google révèle comment les ordinateurs quantiques peuvent surpasser les supercalculateurs modernes

Google révèle comment les ordinateurs quantiques peuvent surpasser les supercalculateurs modernes

Depuis la conception des premiers ordinateurs quantiques au début des années 1980, les chercheurs espéraient que le jour où ces appareils Peut résoudre des problèmes trop difficiles pour les ordinateurs classiques. Au cours des cinq dernières années, ces machines ont en fait commencé à défier leurs homologues classiques, même si la victoire définitive sur elles reste jusqu'à présent incertaine.

Dans la phase actuelle de la bataille pour ce qu'on appelle « l'avantage quantique », les chercheurs de Google affirment avoir déterminé les conditions dans lesquelles Ordinateurs quantiques can outperform their classic colleagues. Pour comprendre ces conditions, ils ont utilisé un processeur quantique appelé Sycamore pour exécuter un échantillonnage de circuit aléatoire (RCS), un algorithme quantique simple qui produit essentiellement une séquence aléatoire de valeurs.

L'équipe a analysé les résultats de Sycamore et a découvert qu'il pouvait être « trompé » ou battu par des superordinateurs classiques en mode bruit élevé lors de l'exécution de RCS. Cependant, lorsque les perturbations ont été réduites à un certain seuil, le calcul de Sycamore est devenu si complexe qu'il était effectivement impossible de réaliser une usurpation d'identité. On a estimé que cela prendrait dix mille milliards d'années au supercalculateur classique le plus rapide du monde. Cette prise de conscience a été initialement dans une prépublication signalé sur le serveur arXiv l'année dernière et aujourd'hui dans Nature 1 publié.

Les experts quantiques soulignent que cela représente une preuve irréfutable que Sycamore est capable de surpasser n'importe quel ordinateur classique exécutant RCS. En 2019, Google a annoncé que son ordinateur quantique pourrait exécuter RCS et obtenir un avantage quantique. Depuis lors, cependant, les ordinateurs classiques ont exécuté l’algorithme plus rapidement que prévu, annulant ainsi l’avantage supposé. Michael Foss-Feig, chercheur en informatique quantique chez la société de logiciels Quantinuum à Broomfield, Colorado, explique : "Google a fait un excellent travail en clarifiant et en résolvant de nombreux problèmes connus avec RCS." Les nouveaux résultats montrent combien de bruit les ordinateurs quantiques peuvent avoir et surpassent encore les ordinateurs classiques.

La concurrence actuelle entre les ordinateurs classiques et quantiques est un facteur déterminant dans ce domaine, selon Chao-Yang Lu, physicien quantique à l'Université des sciences et technologies de Shanghai. Cette compétition a motivé les chercheurs à construire des ordinateurs quantiques plus grands et de meilleure qualité.

Toutefois, les derniers résultats de Google ne signifient pas que les ordinateurs quantiques remplaceront les ordinateurs classiques. Par exemple, Sycamore ne peut pas effectuer les opérations typiques d'un ordinateur ordinaire, telles que l'enregistrement de photos ou l'envoi d'e-mails. Sergio Boixo, responsable du projet d'informatique quantique de Google à Santa Barbara, en Californie, explique : "Les ordinateurs quantiques ne sont pas plus rapides, ils sont différents." Ils sont finalement destinés à accomplir des tâches classiquement impossibles – et utiles –, telles que la simulation précise de réactions chimiques.

Le processeur Sycamore ressemble aux puces de silicium qui alimentent les ordinateurs portables de tous les jours, mais il est spécialement conçu pour contrôler les électrons qui le traversent avec une précision quantique. Pour réduire les fluctuations de température qui détruiraient les états délicats des électrons et introduisiraient du bruit, la puce est maintenue à des températures ultra-froides proches du zéro absolu.

Au lieu des bits classiques (qui sont toujours 0 ou 1), la puce quantique utilise des qubits, qui exploitent la capacité des électrons à se trouver dans un mélange d'états. Un ordinateur quantique peut effectuer certaines tâches en utilisant exponentiellement moins de qubits que les bits dont un ordinateur classique aurait besoin. Par exemple, un ordinateur classique nécessite 1 024 bits pour exécuter l’algorithme RCS, alors qu’un ordinateur quantique n’a besoin que de 10 qubits.

Il y a cinq ans, une équipe de chercheurs de Google rapportait dans Nature 2, qu'il faudrait 10 000 ans à un superordinateur classique pour recréer un RCS de 200 secondes sur son ordinateur de 53 qubits. Presque immédiatement, la revendication a été critiquée ; Des chercheurs du géant de la technologie IBM ont publié une prépublication en ligne 3, ce qui suggérait qu'un supercalculateur pourrait réellement accomplir cette tâche en quelques jours. En juin, Lu et ses collègues ont utilisé de puissants ordinateurs classiques pour simuler le résultat en un peu plus d'une minute. 4.

Le résultat de Google en 2019 n'est pas le seul à être affecté par les contrefaçons classiques. En juin 2023, des chercheurs d'IBM et d'autres ont rapporté des preuves 5 que leur ordinateur de 127 qubits pourrait résoudre des problèmes mathématiques potentiellement utiles, qui « vont au-delà des calculs classiques brutaux ». En quelques semaines, plusieurs études ont montré 6, 7 que les approches classiques pourraient continuer à rivaliser.

Boixo et ses collègues voulaient comprendre comment le bruit rend les ordinateurs quantiques vulnérables aux contrefaçons classiques. Ils ont découvert que même de minuscules différences dans le taux d’erreur des qubits – de 99,4 % sans erreur à 99,7 % – font que Sycamore se comporte comme s’il était dans un nouvel état, de la même manière que la matière passe du solide au liquide.

« Ce que fait [le bruit], c'est qu'il transforme le système en quelque chose de classique », explique Boixo. Une fois qu’une version mise à jour de Sycamore avec 67 qubits dépassait un certain seuil de bruit, sa sortie RCS devenait classiquement impossible à simuler.

Au cours des deux dernières années, les tentatives visant à surpasser les supercalculateurs classiques se sont également concentrées sur la réduction du bruit des qubits. Foss-Feig et ses collègues ont exécuté RCS sur un ordinateur quantique de 56 qubits avec un faible taux d'erreur 8 à travers. Avec de meilleurs qubits, dit-il, « les ordinateurs classiques ne peuvent plus rivaliser avec les ordinateurs quantiques, du moins pour le RCS ».

Un jour, les chercheurs espèrent que les ordinateurs quantiques seront suffisamment grands et suffisamment exempts d’erreurs pour dépasser le conflit entre les ordinateurs quantiques et classiques. Pour l’instant, ils se contentent de se battre. "Si vous ne parvenez pas à obtenir un avantage dans RCS, la plus simple des applications", déclare Boixo, "je ne pense pas que vous puissiez gagner dans aucune autre application".

1. Morvan, A. et al. Nature 634, 328-333 (2024).

   Article Google Scholar

2. Arute, F. et coll. Nature 574, 505-510 (2019).

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3. Pednault, E., Gunnels, JA, Nannicini, G., Horesh, L. et Wisnieff, R. Préimpression sur arXiv https://doi.org/10.48550/arXiv.1910.09534 (2019).

4. Zhao, X.-H. et coll. Préimpression sur arXiv https://doi.org/10.48550/arXiv.2406.18889 (2024).

5. Kim, Y. et al. Nature 618, 500-505 (2023).

   Article PubMed Google Scholar

6. Tindall, J. et coll. Préimpression sur arXiv https://doi.org/10.48550/arXiv.2306.14887 (2023).

7. Begušić, T. & Kin-Lic Chan, G. Préimpression sur arXiv https://doi.org/10.48550/arXiv.2306.16372 (2023).

8. DeCross, M. et coll. Préimpression sur arXiv https://doi.org/10.48550/arXiv.2406.02501 (2024).

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