Un ordinateur quantique résout un problème de physique complexe 3 millions de fois plus vite qu’un ordinateur classique

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Au cours des dernières années, le domaine de l’informatique quantique a connu un essor considérable. L’augmentation du nombre de qubits utilisables dans les calculs, le progrès vers des températures d’utilisation ambiantes et l’amélioration de l’architecture des microprocesseurs quantiques ont permis à des sociétés comme IBM, Google ou D-Wave d’accélérer le développement de leurs ordinateurs quantiques. Récemment, la société D-Wave a révélé que, grâce à une technique nommée le recuit quantique (quantum annealing), elle avait résolu un problème de physique des matériaux 3 millions de fois plus rapidement qu’avec des algorithmes classiques. De tels résultats, sans clamer la suprématie quantique, montrent les avantages du calcul quantique par rapport au calcul classique.

Les physiciens de la société d’informatique quantique D-Wave ont démontré qu’en utilisant une méthode appelée recuit quantique, ils pouvaient simuler le comportement de certains matériaux jusqu’à trois millions de fois plus rapidement qu’avec les méthodes classiques correspondantes. En collaboration avec des chercheurs de Google, ils ont entrepris de mesurer la vitesse de simulation dans l’un des processeurs de recuit quantique de D-Wave.

Ils ont constaté que les performances augmentaient à la fois avec la taille de la simulation et la difficulté du problème, pour atteindre une vitesse trois millions de fois supérieure à ce qui pourrait être réalisé avec un processeur classique. Le calcul que D-Wave et les équipes de Google ont abordé est un problème du monde réel ; en fait, il a déjà été résolu par les lauréats 2016 du prix Nobel de physique, Vadim Berezinskii, J. Michael Kosterlitz et David Thouless, qui ont étudié le comportement du « magnétisme exotique », qui se produit dans les systèmes magnétiques quantiques.

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Les lauréats du prix Nobel ont utilisé des méthodes mathématiques avancées pour décrire, dans les années 1970, les propriétés d’un aimant quantique bidimensionnel, qui révèlent les états étranges — ou « exotiques » — que la matière peut prendre. Au lieu de prouver la suprématie quantique, ce qui se produit lorsqu’un ordinateur quantique exécute un calcul impossible à résoudre avec des moyens classiques, les dernières recherches de D-Wave démontrent que les processeurs de recuit quantique de la société peuvent conduire à un avantage en matière de performances de calcul.

« Ce travail est la preuve la plus claire à ce jour que les effets quantiques fournissent un avantage de calcul dans les processeurs D-Wave », a déclaré Andrew King, directeur de la recherche sur les performances chez D-Wave. Les processeurs de D-Wave sont basés sur la technologie de recuit quantique, qui est une technique de calcul quantique utilisée pour trouver des solutions aux problèmes d’optimisation.

L’avantage de calcul apporté par le recuit quantique

Alors que certains affirment que la portée des problèmes qui peuvent être résolus par la technologie est limitée, les processeurs de recuit quantique sont plus faciles à contrôler et à utiliser que leurs équivalents basés sur des portes, c’est pourquoi la technologie de D-Wave a déjà atteint un nombre beaucoup plus élevé de qubits que l’on peut trouver dans les appareils construits par de grands acteurs comme IBM ou Google.

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Pour simuler le magnétisme exotique, D-Wave a utilisé son système à 2000 qubits afin de modéliser un système quantique magnétique complexe. © D-Wave

Pour simuler un magnétisme exotique, King et son équipe ont utilisé le système D-Wave de 2000 qubits, récemment révisé pour réduire le bruit, afin de modéliser un système magnétique quantique programmable, tout comme Berezinskii, Kosterlitz et Thouless l’ont fait dans les années 1970 pour observer les états exotiques de la matière. Les chercheurs ont également programmé un algorithme classique standard pour ce type de simulation, appelé « intégrale de chemin Monte Carlo » (PIMC), pour comparer les résultats quantiques avec les calculs exécutés par CPU.

Comme le montrent les chiffres, la simulation quantique a surpassé les méthodes classiques. « Ce que nous constatons est un énorme avantage en termes absolus. Cette simulation est un vrai problème que les scientifiques ont déjà attaqué en utilisant les algorithmes que nous avons comparés, marquant une étape et une base importantes pour le développement futur. Cela n’aurait pas été possible aujourd’hui sans le processeur à faible bruit de D-Wave », déclare King.

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La résolution de problèmes concrets

La dernière expérience de D-Wave a résolu un problème significatif qui intéresse les scientifiques indépendamment de l’informatique quantique. Les découvertes ont déjà attiré l’attention des scientifiques du monde entier. « La recherche d’un avantage quantique dans les calculs devient de plus en plus vive car il y a des problèmes particuliers où des progrès réels sont réalisés. Ces problèmes peuvent sembler quelque peu artificiels même aux physiciens », explique Gabriel Aeppli, professeur de physique à l’ETH Zürich et à l’EPF Lausanne.

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« Mais dans cet article issu d’une collaboration entre D-Wave Systems, Google et l’Université Simon Fraser, il semble qu’il y ait un avantage pour le recuit quantique utilisant un processeur spécial par rapport aux simulations classiques pour le problème plus concret de la recherche de l’état d’équilibre d’un aimant quantique particulier ».

Pas de suprématie quantique, mais un avantage sur le calcul classique

L’équipe de D-Wave, cependant, n’a pas voulu revendiquer un avantage quantique, ce qui se produit lorsqu’un processeur quantique peut démontrer sa supériorité sur toute concurrence classique possible ; King souligne qu’il est encore possible de concevoir des algorithmes hautement spécialisés pour simuler le modèle une fois que les propriétés du modèle sont connues. La véritable signification de l’expérience réside dans la preuve qu’un avantage de calcul peut déjà être obtenu en utilisant des méthodes quantiques existantes pour résoudre un problème de science des matériaux.

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« Ces expériences constituent une avancée importante dans le domaine, offrant le meilleur aperçu à ce jour du fonctionnement interne des ordinateurs D-Wave et montrant un avantage d’échelle par rapport à sa principale concurrence classique. Toutes les plates-formes de calcul quantique devront passer ce type de point de contrôle sur la voie d’une adoption généralisée », explique King.

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