À quelle vitesse un ordinateur quantique pourra-t-il calculer ? Alors que des versions entièrement fonctionnelles de ces merveilles technologiques tant recherchées n'ont pas encore été construites, un théoricien du National Institute of Standards and Technology (NIST) a montré que, s'ils peuvent être réalisés, il se peut qu'il y ait moins de limites à leur vitesse qu'auparavant.

Les résultats, décrits comme une « expérience de pensée » par Stephen Jordan du NIST, portent sur un aspect différent de la vitesse de calcul quantique qu'un autre groupe de chercheurs du NIST a exploré il y a environ deux ans. Alors que les découvertes précédentes concernaient la vitesse à laquelle les informations peuvent voyager entre deux commutateurs dans le processeur d'un ordinateur, Le nouveau document de Jordan traite de la rapidité avec laquelle ces commutateurs peuvent basculer d'un état à un autre.

Le taux de retournement est équivalent à la « vitesse d'horloge » des processeurs conventionnels. Pour faire des calculs, le processeur envoie des instructions mathématiques appelées opérations logiques qui modifient les configurations des commutateurs. Les processeurs actuels ont des vitesses d'horloge mesurées en gigahertz, ce qui signifie qu'ils sont capables d'effectuer quelques milliards d'opérations logiques élémentaires par seconde.

Parce qu'ils exploitent la puissance de la mécanique quantique pour faire leurs calculs, les ordinateurs quantiques auront nécessairement des architectures très différentes de celles des machines d'aujourd'hui. Leurs interrupteurs, appelés bits quantiques ou "qubits, " pourra représenter plus qu'un simple 1 ou 0, comme le font les processeurs conventionnels ; ils pourront représenter plusieurs valeurs simultanément, en leur donnant des pouvoirs que les ordinateurs conventionnels ne possèdent pas.

L'article de Jordan conteste les conclusions de longue date sur ce que les états quantiques impliquent sur la vitesse d'horloge. Selon la mécanique quantique, la vitesse à laquelle un état quantique peut changer - et donc la vitesse à laquelle un qubit peut basculer - est limitée par la quantité d'énergie dont il dispose. Bien que Jordan pense que ces conclusions sont valides, plusieurs articles ultérieurs au fil des ans ont fait valoir qu'ils impliquent également une limite à la vitesse à laquelle un ordinateur quantique peut calculer en général.

« À première vue, cela semble tout à fait plausible, " dit Jordan. " Si vous effectuez plus d'opérations logiques, il est logique que vos commutateurs aient besoin de subir plus de changements. Dans les conceptions informatiques conventionnelles et quantiques, chaque fois qu'une opération logique se produit" - en faisant basculer ses commutateurs - " l'ordinateur saute dans un nouvel état. "

En utilisant les mathématiques des systèmes quantiques, Jordan montre qu'il est possible de concevoir un ordinateur quantique qui n'a pas cette limitation. En réalité, avec le bon design, il a dit, l'ordinateur "pourrait effectuer un nombre arbitrairement grand d'opérations logiques tout en sautant à travers un nombre constant d'états distincts".

Contre-intuitivement, dans un tel ordinateur quantique, le nombre d'opérations logiques effectuées par seconde pourrait être considérablement plus grand que la vitesse à laquelle n'importe quel qubit peut être inversé. Cela permettrait aux ordinateurs quantiques qui adoptent cette conception de dépasser les limites de vitesse suggérées précédemment.

Quels avantages cette vitesse d'horloge plus rapide peut-elle offrir ? L'une des principales applications envisagées pour les ordinateurs quantiques est la simulation d'autres systèmes physiques. On pensait que la limite de vitesse théorique de la vitesse d'horloge plaçait une limite supérieure à la difficulté de cette tâche. Tout système physique, l'argument est allé, pourrait être considéré comme une sorte d'ordinateur avec une vitesse d'horloge limitée par l'énergie du système. Le nombre de cycles d'horloge nécessaires pour simuler le système sur un ordinateur quantique doit être comparable au nombre de cycles d'horloge effectués par le système d'origine.

Cependant, ces échappatoires nouvellement découvertes à la limite de vitesse de calcul sont une "épée à double tranchant". Si l'énergie ne limite pas la vitesse d'un ordinateur quantique, alors les ordinateurs quantiques pourraient simuler des systèmes physiques d'une plus grande complexité qu'on ne le pensait auparavant. Mais l'énergie ne limite pas non plus la complexité de calcul des systèmes naturels, et cela pourrait les rendre plus difficiles à simuler sur des ordinateurs quantiques.

Jordan a déclaré que ses découvertes n'impliquent pas qu'il n'y a pas de limites à la vitesse à laquelle un ordinateur quantique pourrait éventuellement calculer, mais que ces limites dérivent d'autres aspects de la physique que simplement la disponibilité de l'énergie.

"Par exemple, si vous tenez compte des contraintes géométriques, comme la densité avec laquelle vous pouvez emballer des informations, et une limite à la vitesse à laquelle vous pouvez transmettre des informations (à savoir, la vitesse de la lumière), alors je pense que vous pouvez faire des arguments plus solides, " a-t-il dit. " Cela vous dira où se trouvent les vraies limites de la vitesse de calcul. "