Des chercheurs de l'Université de Bristol ont découvert que les ordinateurs quantiques super puissants, que les scientifiques et les ingénieurs du monde entier s'efforcent de construire, doivent être encore plus puissants qu'on ne le pensait avant de pouvoir battre les PC ordinaires d'aujourd'hui.

Les ordinateurs quantiques sont un nouveau type de machine qui fonctionne sur du matériel de mécanique quantique et devraient offrir d'énormes avantages en termes de vitesse pour résoudre certains problèmes.

Des groupes de recherche dans des universités et des entreprises de premier plan, y compris Google, Microsoft et IBM, font partie d'une course mondiale pour réaliser le premier ordinateur quantique qui entre dans la « singularité computationnelle quantique ».

Cela représente un problème si complexe qu'il faudrait des siècles au meilleur superordinateur d'aujourd'hui pour trouver une solution, tandis qu'un ordinateur quantique pourrait le casser en quelques minutes.

Maintenant, une équipe de scientifiques de Bristol a découvert que la limite de cette singularité est plus éloignée qu'on ne le pensait auparavant.

La recherche est rapportée cette semaine dans Physique de la nature .

Les résultats s'appliquent à un algorithme quantique très influent appelé « échantillonnage de bosons », qui a été conçu comme une voie très directe pour démontrer la suprématie de l'informatique quantique sur les machines classiques.

Le problème d'échantillonnage des bosons est conçu pour être résolu par des photons (particules de lumière) contrôlés dans des puces optiques – une technologie mise au point par les laboratoires d'ingénierie et de technologie quantiques de Bristol (QETLabs).

La prédiction du motif de nombreux photons émergeant d'une grande puce optique est liée à un calcul matriciel aléatoire extrêmement difficile.

Avec les progrès rapides des technologies quantiques, il semblait qu'une expérience d'échantillonnage de bosons qui traversait la singularité computationnelle quantique était à portée de main. Cependant, l'équipe de Bristol a pu reconcevoir un vieil algorithme classique pour simuler l'échantillonnage des bosons, avec des conséquences dramatiques.

Dr Anthony Laing, qui dirige un groupe dans les QETLabs et a mené cette recherche, a déclaré :« C'est comme régler un vieil avion à hélices pour qu'il aille plus vite qu'un ancien avion à réaction.

"Nous sommes à un moment de l'histoire où il est encore possible pour les algorithmes classiques de surpasser les algorithmes quantiques que nous pensons être finalement supersoniques.

"Mais démontrer un tel exploit impliquait de réunir une équipe de scientifiques d'élite, mathématiciens, et les programmeurs."

Expert en algorithmes classiques Dr Raphaël Clifford, du Département d'informatique de Bristol, repensé plusieurs algorithmes classiques pour attaquer le problème d'échantillonnage des bosons, avec l'algorithme d'échantillonnage d'indépendance métropolitaine des années 1950 offrant les meilleures performances.

Le code de simulation a été optimisé par le chercheur de QETLabs 'EJ', un ancien programmeur de LucasArts. L'expertise sur la complexité informatique est venue du Dr Ashley Montanaro, de l'école de mathématiques de Bristol, tandis que les étudiants du QETLabs, Chris Sparrow et Patrick Birchall, ont élaboré les performances projetées de la technologie de photonique quantique concurrente.

Au cœur du projet et réunissant tous ces volets se trouvait le doctorant QETLabs et premier auteur de l'article, Alex Neville, qui a testé, mis en œuvre, par rapport, et analysé, tous les algorithmes.

Il a déclaré:"La plus grande expérience d'échantillonnage de bosons rapportée jusqu'à présent concerne cinq photons.

"On pensait que 30 ou même 20 photons seraient suffisants pour démontrer la suprématie du calcul quantique."

Pourtant, il a pu simuler un échantillonnage de bosons pour 20 photons sur son propre ordinateur portable, et augmenté la taille de la simulation à 30 photons en utilisant des serveurs départementaux.

Alex a ajouté : « Avec accès au superordinateur le plus puissant d'aujourd'hui, nous pourrions simuler un échantillonnage de bosons avec 50 photons."

La recherche s'appuie sur la réputation de Bristol en tant que centre d'activité pour la science quantique et le développement des technologies quantiques.

Grâce aux QETLabs, l'université s'est lancée dans un programme ambitieux visant à faire sortir les technologies quantiques du laboratoire et à les intégrer dans des dispositifs utiles qui ont des applications réelles pour résoudre certains des problèmes les plus difficiles de la société.

En plus des collaborations avec des entreprises technologiques telles que Microsoft, Google, et Nokia, des start-ups et de nouvelles activités commerciales axées sur les technologies quantiques ont vu le jour à Bristol.

Un thème important dans l'ensemble de l'activité de recherche quantique consiste à développer notre compréhension de la manière exacte dont les technologies quantiques peuvent surpasser de manière prouvée les ordinateurs conventionnels.

Récemment, le Dr Montanaro, avec le professeur Noah Linden de l'École de mathématiques, a organisé un groupe de recherche focalisé sur Heilbronn sur le thème de la suprématie du calcul quantique.

Cette réunion a réuni certains des leaders mondiaux dans le domaine, de l'industrie et du milieu universitaire, à Bristol pour une semaine de discussions et de collaboration intenses. Parmi les participants figurait l'un des théoriciens qui ont conçu l'échantillonnage des bosons, Professeur Scott Aaronson, de l'UT Austin.

Bien que surpasser les ordinateurs classiques puisse prendre un peu plus de temps que prévu, Le Dr Laing est toujours optimiste quant aux perspectives de construire un appareil pour faire exactement cela.

Il a déclaré:"Nous avons maintenant une idée solide du défi technologique que nous devons relever pour démontrer que les machines quantiques peuvent surpasser leurs homologues classiques. Pour l'échantillonnage des bosons, la singularité se situe juste au-delà de 50 photons. C'est un écrou plus dur à casser que nous avons d'abord pensé, mais nous avons toujours envie de nos chances."

Avec le groupe du Dr Laing axé sur les applications pratiques des technologies quantiques, les travaux en cours fixent des limites à la taille et à la sophistication des dispositifs photoniques qui seront nécessaires pour s'attaquer à des problèmes industriellement pertinents qui dépassent les capacités des algorithmes classiques d'aujourd'hui.