Progrès mesurables d’ordinateurs hybrides quantiques-classiques

Dans un article publié le 1^er juin dans la revue Physical Review Letters, une équipe qui comprend Christine Muschik, professeure associée à l’Institut Périmètre, présente une nouvelle méthode d’hybridation d’ordinateurs classiques et quantiques. Sa technique exploite des éléments de 2 cadres physiques connus pour leur incompatibilité, afin de produire des moyens plus robustes et puissants de résolution de problèmes.

« L’informatique hybride offre des possibilités enthousiasmantes », dit M^me Muschik, qui est également professeure adjointe à l’Institut d’informatique quantique de l’Université de Waterloo. « Des entreprises et des scientifiques du monde entier étudient comment utiliser des systèmes hybrides afin de réaliser des découvertes en science des matériaux, en physique fondamentale, en chimie et en conception de médicaments. » [traduction]

Ce potentiel repose sur la construction de ponts entre l’univers macroscopique de la physique classique et le monde subatomique régi par la mécanique quantique. Même si chacun de ces systèmes est puissant en soi, on ne les a jamais combinés en un seul cadre théorique — malgré le fait qu’ils coexistent clairement dans la réalité.

Pendant que les physiciens théoriciens continuent de chercher à comprendre les liens entre la physique quantique et la physique classique, la technologie qui profite des deux progresse de manière accélérée.

M^me Muschik et ses co-auteurs proposent d’améliorer le traitement de l’information en utilisant d’une manière inédite une propriété exclusivement quantique appelée intrication.

Des particules intriquées partagent de manière inextricable un état physique. Cela signifie que leurs propriétés ne peuvent être décrites que dans le cadre d’un même tout. L’intrication est essentielle en informatique quantique, mais dans leur article intitulé Measurement-Based Variational Quantum Eigensolver (Résolution de valeurs propres à l’aide d’un outil quantique variationnel fondé sur des mesures), les auteurs décrivent une nouvelle méthode de mesure séquentielle d’états intriqués qui rend l’informatique hybride quantique-classique plus puissante et plus robuste, et qui présente des avantages importants par rapport aux méthodes actuelles fondées sur des circuits.

« Même si les modèles fondés sur des circuits et les modèles fondés sur des mesures permettent les uns comme les autres de réaliser l’informatique quantique universelle […], ils sont intrinsèquement différents, écrivent les auteurs. Pour certaines applications, les durées de cohérence et les seuils d’erreur sont beaucoup moins exigeants [dans le cas de l’informatique quantique fondée sur des mesures]. » [traduction]

« Cela nous rapproche de ce dont rêvent les chercheurs : créer de nouveaux médicaments, découvrir des matériaux plus légers et plus résistants pour l’aviation, améliorer la capture du carbone atmosphérique. » [traduction]

Autrement dit, cette nouvelle méthode permet à un petit ordinateur quantique d’accomplir des tâches plus difficiles.

Christine Muschik, physicienne théoricienne qui s’intéresse activement à des expériences de démonstration de faisabilité, dit que cette méthode peut servir à effectuer des simulations quantiques et à résoudre des problèmes hautement complexes d’optimisation.

« Notre méthode est extrêmement économe en ressources, dit-elle : elle peut faire appel à de petits états quantiques, parce que nous les adaptons à des types précis de problèmes. Et il n’y a aucun analogue de notre boucle de rétroaction-optimisation dans le modèle traditionnel fondé sur des circuits.

« Cela nous rapproche de ce dont rêvent les chercheurs : créer de nouveaux médicaments, découvrir des matériaux plus légers et plus résistants pour l’aviation, améliorer la capture du carbone atmosphérique. Il y a énormément de possibilités. » [traduction]

La méthode fondée sur des mesures offre une plus grande tolérance aux défaillances que les méthodes fondées sur des circuits — ce qui constitue un avantage-clé avec les ordinateurs quantiques d’aujourd’hui. L’état actuel de la technologie est connu pour ses limites et se résume par l’acronyme NISQ (noisy, intermediate-scale quantum computers – ordinateurs quantiques bruyants de taille intermédiaire).

« Les ordinateurs quantiques en sont encore à leurs balbutiements, dit M^me Muschik. Ils sont expérimentaux et fragiles. En utilisant une méthode fondée sur des mesures dans une boucle de rétroaction avec un ordinateur classique, nous avons inventé une nouvelle manière de surmonter ces limites afin de nous attaquer à des problèmes plus difficiles. » [traduction]

Cette méthode devrait donner lieu à la mise au point de nouvelles applications, y compris de meilleurs algorithmes d’optimisation. Les programmes fondés sur des mesures peuvent aussi fonctionner dans un plus grand nombre de types d’ordinateurs quantiques, y compris les systèmes photoniques, qui sont potentiellement puissants mais largement incompatibles avec les systèmes fondés sur des circuits.

Christine Muschik dit que ce progrès arrive à un moment crucial de l’évolution de l’informatique quantique, alors que la technologie passe graduellement de la recherche expérimentale aux applications pratiques.

« Je dirais que nous sommes à la fine pointe de cette évolution, dit-elle. Des entreprises comme Google et IBM investissent énormément dans les technologies quantiques. C’est pour cela que nous assistons à l’apparition de tant de matériel d’informatique quantique. Tout le monde est à la recherche d’un avantage quantique utile. Je crois que nous sommes à la veille de le trouver. » [traduction]