Au cours des dernières années, les physiciens ont fait passer le concept d’ordinateur quantique de la science-fiction à la réalité en mettant au point des prototypes fonctionnels démontrant toute la puissance potentielle de cette nouvelle technologie. Des chercheurs affirment même aujourd’hui avoir franchi une étape clé importante en atteignant la « suprématie quantique ». En effet, récemment, un ordinateur quantique baptisé Sycamore a résolu un problème mathématique en 3.5 minutes, alors que le supercalculateur actuel le plus puissant du monde, Summit, aurait nécessité plus de 10’000 ans de travail pour arriver au même résultat.

Pour la première fois, un ordinateur quantique a résolu un problème qu’un ordinateur traditionnel ne peut résoudre, rapporte une équipe de chercheurs dans la revue Nature. « Un calcul qui prendrait 10’000 ans sur un supercalculateur classique a pris 200 secondes sur notre ordinateur quantique » déclare Brooks Foxen, physicien au Google AI Quantum et à l’université de Californie.

« Il est probable que le temps de simulation classique, estimé actuellement à 10’000 ans, sera réduit par l’amélioration du matériel et des algorithmes classiques, mais, puisque nous sommes actuellement 1.5 million de millions de fois plus rapides, nous sommes fiers d’affirmer ce succès » ajoute Foxen.

Sycamore : l’ordinateur quantique aux 53 qubits

En raison du principe de superposition, les ordinateurs quantiques peuvent stocker et manipuler beaucoup plus d’informations par unité de volume que les ordinateurs traditionnels, qui codent les informations de manière binaire à l’aide de 0 et de 1. L’équipe de recherche, dirigée par Frank Arute du Google AI Quantum, a utilisé un ordinateur quantique appelé Sycamore, qui comporte 53 qubits fonctionnels.

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(a) Les 54 qubits (53 fonctionnels et 1 dysfonctionnel) de Sycamore, connectés entre eux via des coupleurs. (b) Le processeur de Sycamore. Crédits : Frank Arute et al. 2019

Les physiciens ont placé ces 53 qubits dans un état de superposition complexe, puis ont demandé à Sycamore d’exécuter une tâche similaire à la génération de nombres aléatoires. Les résultats ont ensuite été comparés aux simulations effectuées sur le superordinateur Summit, au laboratoire national Oak Ridge.

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L’ordinateur quantique Sycamore, contenu dans sa cryostructure. Crédits : Eric Lucero/Google

« Summit est actuellement le plus puissant supercalculateur au monde, capable de réaliser environ 200 millions de milliards d’opérations par seconde » explique William Oliver, physicien au MIT. « Il comprend environ 40’000 unités de traitement, chacune contenant des milliards de transistors, et dispose de 250 millions de giga-octets de stockage. Environ 99% des ressources de Summit ont été utilisées pour effectuer l’échantillonnage classique ».

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Une démonstration de la suprématie quantique sur les ordinateurs classiques

Sycamore a terminé l’opération en 3.5 minutes environ, et les résultats ont suggéré que même le supercalculateur traditionnel le plus puissant aurait à s’attaquer au problème pendant environ 10’000 ans.

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Graphique présentant les résultats, en termes de performances, de Sycamore par rapport aux supercalculateur Summit. Pour ce dernier, la résolution du problème étudié aurait nécessité 10’000 ans de calcul. Crédits : Frank Arute et al. 2019

« Cette démonstration de la suprématie quantique par rapport aux algorithmes classiques actuels sur les supercalculateurs les plus rapides au monde est vraiment une réalisation remarquable et une étape importante pour l’informatique quantique. Cela montre que les ordinateurs quantiques représentent un modèle informatique fondamentalement différent de celui des ordinateurs classiques. Il combat également les critiques sur la contrôlabilité et la viabilité du calcul quantique dans un espace de calcul extraordinairement grand (contenant au moins les 253 états utilisés ici) ».

Oliver a également souligné, cependant, qu’il restait encore beaucoup à faire avant que les ordinateurs quantiques puissent être démocratisés. Par exemple, les chercheurs devront développer de nouveaux algorithmes pouvant fonctionner avec les processeurs quantiques sujets aux erreurs, qui seront disponibles dans un proche avenir. Et, pour rendre la technologie commercialement viable à long terme, les scientifiques devront concevoir des protocoles robustes pour corriger les erreurs quantiques.

Sources : Nature

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