Alors que les nouveaux appareils rapprochent l'informatique quantique de l'utilisation pratique, le journal La nature a récemment demandé à Margaret Martonosi, informaticienne de Princeton, et à deux collègues d'évaluer l'état des logiciels nécessaires pour exploiter cette puissante approche informatique.

S'appuyant sur des effets de mécanique quantique subtils pour le stockage et le calcul des données, les ordinateurs quantiques semblent prometteurs pour accélérer considérablement certains types de calculs. Martonosi, le professeur Hugh Trumbull Adams '35 d'informatique, expliqué dans une interview que bien que les ordinateurs quantiques soient fondamentalement différents des ordinateurs classiques, les deux nécessitent une chaîne de logiciels efficace pour fonctionner. Ses co-auteurs dans Nature sont les professeurs d'informatique Frederic Chong et Diana Franklin de l'Université de Chicago.

Qu'est-ce que l'informatique quantique, et en quoi diffère-t-elle de l'informatique standard ou classique ?

En informatique classique, nous avons construit des ordinateurs pendant de nombreuses années qui reposent sur des valeurs binaires pour ce que nous appelons l'état, ou les données de stockage, dans la machine. La valeur peut donc être 0 ou 1. Et nous avons développé la capacité d'effectuer des opérations arithmétiques ou logiques basées sur les valeurs 0 ou 1. Dans les ordinateurs quantiques, au lieu de ces classiques 0 ou 1 bits, nous avons ce qu'on appelle des bits quantiques ou qubits. Vous pouvez considérer un qubit comme une distribution probabiliste de nombreuses valeurs possibles. Donc ce n'est pas 0 ou 1, mais une certaine "superposition" d'états différents. Être capable de manipuler ces états complexes, on peut faire des calculs uniques qui vont au-delà de la simple addition ou des opérations logiques d'un ordinateur classique.

L'informatique quantique permet de faire des calculs beaucoup plus puissants, conceptuellement au moins, avec relativement moins de qubits que les bits d'état requis par une alternative classique. Il existe des algorithmes quantiques qui montrent la possibilité d'une accélération considérable, parfois même accélération exponentielle, sur l'approche classique. Par exemple, il y a des problèmes à grande échelle qui prendraient des dizaines ou des centaines d'années à calculer sur une machine classique - les rendant essentiellement insolubles - mais si un matériel quantique approprié existait, l'algorithme quantique correspondant pourrait permettre de résoudre ces tâches en quelques heures au lieu de plusieurs décennies. C'est le fait que nous puissions faire des choses potentiellement exponentiellement plus rapidement dans un ordinateur quantique qui a conduit le monde à être très intrigué par les possibilités.

Un ordinateur quantique n'est donc pas simplement une version plus rapide d'un ordinateur standard ?

Il utilise des caractéristiques physiques profondément différentes pour faire les calculs. Et ça lui permet d'être plus rapide, potentiellement, à certains calculs, bien qu'il repose encore sur un séquençage classique des opérations et un contrôle classique des opérations. Ainsi, l'un des principaux domaines d'intérêt au cours des 10 dernières années a été d'obtenir des algorithmes quantiques qui montrent une accélération théoriquement exponentielle pour voir comment ces algorithmes seront vraiment mappés au vrai matériel quantique, et quelles sortes d'accélérations seront possibles lorsque nous commencerons à construire du matériel quantique réel.

Votre article dans La nature dit que l'informatique quantique a atteint un stade critique, que vous appelez un "point d'inflexion". Pourquoi maintenant?

C'est une gamme de choses. Pendant de nombreuses années, nous avons eu des algorithmes quantiques qui esquissaient théoriquement comment ils pouvaient utiliser la superposition et l'intrication quantiques (la capacité des états quantiques à interagir les uns avec les autres), mais n'avait aucun matériel sur lequel mapper. Pendant ce temps, il y avait des physiciens qui construisaient des technologies qubit individuelles, mais en construisant si peu de qubits, un à la fois, ou deux à la fois - que vous ne pouviez pas vraiment avoir une idée de la façon de calculer avec eux.

Ce qui se passe maintenant, c'est que le nombre de qubits pouvant être construits sera bientôt suffisamment grand pour qu'il faille réellement réfléchir à la manière de construire des systèmes pour calculer avec eux. Ainsi, là où il était auparavant acceptable de simplement créer des qubits individuels et de tester leurs caractéristiques de manière ponctuelle, maintenant, les gens commencent à réfléchir à la façon de construire de vrais systèmes informatiques à partir d'eux, y compris comprendre comment le stockage fonctionnera, comment fonctionnera la communication.

Ainsi, lorsque nous parlons de construire des compilateurs quantiques (logiciels qui exécute les instructions des programmes dans le matériel) ou des flux d'outils quantiques (logiciels qui optimisent les applications), nous le faisons pour plusieurs raisons. L'une des raisons est que lorsque des ordinateurs quantiques de tailles de plus en plus intéressantes sont construits, nous voulons pouvoir compiler pour eux. Une autre raison est que, avant même que les machines soient construites, nous voulons être en mesure de mieux évaluer les différents compromis de conception. Ainsi, l'outil dont parle le document, le type sur lequel mes collaborateurs et moi avons travaillé, sont un moyen de faire certaines des évaluations qui aideront à voir quels algorithmes bénéficient de quels choix technologiques, ou quels choix organisationnels, que les chercheurs construisent le matériel.

L'autre aspect du point d'inflexion est en termes d'intérêt et de financement. Nous sommes maintenant à un point où vous pouvez utiliser un ordinateur quantique de 16 qubits sur le Web. IBM, à travers son effort Quantum Experience, a mis un ordinateur quantique à la portée de tous. Google, Microsoft, Intel et d'autres s'efforcent tous de construire des ordinateurs quantiques beaucoup plus grands que jamais. Et il y a une petite course en cours pour voir qui ira jusqu'où et quand. Alors que l'industrie accorde une attention considérable à la construction d'ordinateurs quantiques, Je pense que cela a augmenté la crédibilité qu'il y a quelque chose ici, il y a quelque chose sur quoi se concentrer. Et comme résultat, cela a augmenté le rythme auquel d'autres parties de l'espace de recherche quantique ont également évolué.

L'informatique quantique pourrait-elle être aussi radicale que l'informatique classique ou est-elle susceptible d'être plus spécialisée ?

Si vous regardez les algorithmes quantiques qui ont été développés jusqu'à présent, ils sont relativement concentrés. Il y a quelques domaines où le quantum montre le potentiel d'accélération, mais il y a beaucoup de domaines où nous n'avons pas encore d'algorithmes quantiques qui accélèrent. Ainsi, personne ne voit l'informatique quantique supplanter totalement le classique. Il ne sera pas utilisé de cette manière dans un avenir prévisible. Plutôt, les gens voient l'informatique quantique être utile pour certains calculs très ciblés. Vous pouvez le considérer comme un accélérateur spécialisé pour ces calculs.

Pendant de nombreuses années, un catalyseur clé de l'intérêt pour l'informatique quantique était le fait que bon nombre de nos méthodes de cryptage actuelles reposent sur l'hypothèse que la factorisation de grands nombres sera difficile sur le plan informatique. Et l'informatique quantique, en particulier quelque chose appelé l'algorithme de Shor, a montré un moyen d'accélérer considérablement cette prise en compte. Alors pendant de nombreuses années, l'un des principaux éléments qui ont attiré l'attention sur le quantum était la question de savoir si l'informatique quantique - citerait, unquote—"casser le cryptage."

Ce que nous voyons en ce moment, c'est d'abord, la communauté du chiffrement développe de nouveaux algorithmes conçus pour être résistants quantiques. Cela progresse à un certain niveau. Simultanément, nous constatons que l'algorithme de factorisation qui pourrait « casser le cryptage » nécessite en fait tellement de qubits qu'il faudra un certain temps avant que nous puissions l'utiliser pour factoriser les grands nombres utilisés dans nos algorithmes de cryptage. Donc, pour cette raison, l'affacturage n'est pas le plus grand attire l'attention algorithmique en ce moment au sein de la communauté de l'informatique quantique elle-même.

Mais plutôt, il y a d'autres algorithmes qui attirent l'attention en termes de choses comme la simulation de molécules. La chimie dite quantique est d'intérêt de nos jours, et semble être un domaine d'application auquel nous pourrions accéder plus tôt avec les types de machines que nous envisageons de pouvoir construire plus tôt dans la chronologie.

Vous mentionnez le concept de systèmes hybrides combinant l'informatique classique et quantique dans l'article.

C'est inévitable. Vous n'allez pas construire des systèmes informatiques quantiques uniquement quantiques. Et les gens sur le terrain le savent, mais il n'a pas été bien dépeint au monde extérieur. Pour faire fonctionner un ordinateur quantique, et d'exécuter un ensemble d'opérations quantiques, vous aurez toujours un séquenceur de contrôle classique qui intervient à travers un ensemble de manipulations physiques. Et vous aurez donc toujours cette maîtrise classique des opérations quantiques.

Alors cette dualité sera là quoi qu'il arrive. Et il y a un travail intéressant à faire pour décider comment organiser cela, combien de contrôle classique va où. Les opérations quantiques se font souvent sous des températures très basses, proche du zéro absolu. La question est, quelle quantité de ce contrôle classique peut être effectuée à ces températures par rapport à quelle quantité devrait être effectuée à température ambiante comme nous sommes habitués à faire de l'informatique classique ? Et donc ces types de compromis de conception restent pour la plupart sans réponse.

L'informatique quantique est très excitante, mais rien ne garantit que l'informatique quantique aura la même trajectoire ou le même souffle que l'informatique classique. De plusieurs façons, tout semble maintenant comme si l'informatique quantique peut être plus étroite que le classique dans ses applications. Mais il est toujours utile et instructif d'essayer de regarder à travers différents cycles d'innovation et d'essayer de voir où vous voyez des parallèles ou non.

L'informatique quantique pourrait être juste un autre moyen utile de faire de l'informatique ?

On espère que cela accélérera un peu certaines choses. Donc, par exemple, si la chimie quantique devient l'application viable qu'elle semble être, alors on peut imaginer qu'être profondément influent pour des choses comme l'agriculture, comprendre comment construire de meilleurs engrais, et ainsi de suite, et aussi pour le développement de médicaments. Donc, même s'il est quelque peu concentré là où il est applicable, cela pourrait encore avoir un impact considérable dans ces domaines.