Les gens ont effectué de nombreuses preuves mathématiques pour montrer qu’un ordinateur quantique surpassera largement les ordinateurs traditionnels sur un certain nombre d’algorithmes. Mais les ordinateurs quantiques dont nous disposons actuellement sont sujets aux erreurs et n’ont pas suffisamment de qubits pour permettre la correction des erreurs. Les seules démonstrations que nous avons eues impliquent du matériel informatique quantique évoluant à partir d’une configuration aléatoire et des ordinateurs traditionnels incapables de simuler leur comportement normal. Les calculs utiles sont un exercice pour l’avenir.
Mais un nouvel article du groupe d’informatique quantique de Google est maintenant allé au-delà de ce genre de démonstrations et a utilisé un ordinateur quantique dans le cadre d’un système qui peut nous aider à comprendre les systèmes quantiques en général, plutôt que l’ordinateur quantique. Et ils montrent que, même sur le matériel sujet aux erreurs d’aujourd’hui, le système peut surpasser les ordinateurs classiques sur le même problème.
Sonder les systèmes quantiques
Pour comprendre ce que le nouveau travail implique, il est utile de prendre du recul et de réfléchir à la façon dont nous comprenons généralement les systèmes quantiques. Étant donné que le comportement de ces systèmes est probabiliste, nous devons généralement les mesurer à plusieurs reprises. Les résultats de ces mesures sont ensuite importés dans un ordinateur classique, qui les traite pour générer une compréhension statistique du comportement du système. Avec un ordinateur quantique, en revanche, il est possible de refléter un état quantique en utilisant les qubits eux-mêmes, de le reproduire aussi souvent que nécessaire et de le manipuler si nécessaire. Cette méthode a le potentiel de fournir une voie vers une compréhension plus directe du système quantique en question.
Une grande partie de l’article est consacrée à la description de situations où cela devrait être le cas, en développant en partie des idées décrites dans des articles antérieurs.
La première de ces idées décrit certaines propriétés d’un système quantique impliquant un nombre arbitraire d’éléments, comme un ordinateur quantique avec n qubits. C’est exactement la circonstance décrite ci-dessus, où des mesures répétées doivent être effectuées avant qu’un ordinateur classique puisse identifier de manière fiable une propriété. En revanche, un ordinateur quantique peut stocker une copie du système dans sa mémoire, ce qui lui permet d’être dupliqué et traité à plusieurs reprises.
Ces problèmes, montrent les auteurs, peuvent être résolus sur un ordinateur quantique en ce qu’on appelle le temps polynomial, où le nombre de qubits est élevé à une puissance constante (notée nk). En utilisant du matériel classique, en revanche, le temps évolue comme une constante élevée à la puissance liée au nombre de qubits. À mesure que le nombre de qubits augmente, le temps nécessaire au matériel classique augmente beaucoup plus rapidement.
Options deux et trois
La deuxième tâche qu’ils identifient est une analyse en composantes principales quantiques, où les ordinateurs sont utilisés pour identifier la propriété qui a la plus grande influence sur le comportement du système quantique. Cela a été choisi en partie parce que cette analyse est considérée comme relativement insensible au bruit introduit par les erreurs dans les processeurs quantiques d’aujourd’hui. Mathématiquement, l’équipe montre que le nombre de fois que vous auriez besoin de répéter les mesures pour l’analyse sur un système classique augmente de façon exponentielle avec le nombre de qubits. En utilisant un système quantique, l’analyse peut être effectuée avec un nombre constant de répétitions.
La situation finale consiste à permettre à un processus physique d’influencer l’état d’un système quantique, le faisant évoluer vers un nouvel état. L’objectif est de trouver un modèle du processus qui peut prédire avec précision quel serait le nouvel état. Encore une fois, l’utilisation d’un système classique signifie que le défi d’obtenir suffisamment de mesures évolue de manière exponentielle avec le nombre de qubits, mais augmente beaucoup plus lentement lorsque l’informatique quantique est utilisée.
Pourquoi un ordinateur quantique fonctionne-t-il tellement mieux ? Les chercheurs disent qu’une étape clé consiste à stocker deux copies du système examiné, puis à les emmêler. Cette méthode est quelque chose qui n’est possible que sur du matériel quantique.