Alors que plusieurs groupes de recherche à travers le monde se lancent dans la course pour construire un ordinateur quantique évolutif, des questions subsistent quant à la manière dont l'atteinte de la suprématie quantique sera vérifiée.

La suprématie quantique est le terme qui décrit la capacité d'un ordinateur quantique à résoudre une tâche de calcul qui serait d'une difficulté prohibitive pour tout algorithme classique. Il est considéré comme une étape critique dans l'informatique quantique, mais parce que la nature même de l'activité quantique défie la corroboration traditionnelle, des efforts parallèles ont été déployés pour trouver un moyen de prouver que la suprématie quantique a été atteinte.

Des chercheurs de l'Université de Californie, Berkeley, viennent de peser en donnant à une proposition pratique de premier plan connue sous le nom d'échantillonnage de circuit aléatoire (RCS) un sceau d'approbation qualifié avec le poids de la preuve théorique de la complexité derrière elle. L'échantillonnage de circuits aléatoires est la technique proposée par Google pour prouver s'il a atteint ou non la suprématie quantique avec une puce informatique de 72 qubits appelée Bristlecone, dévoilé plus tôt cette année.

Les théoriciens de l'informatique de l'UC Berkeley ont publié leur preuve de RCS comme méthode de vérification dans un article publié lundi, 29 octobre dans la revue Physique de la nature .

"Le besoin de preuves solides de la suprématie quantique est sous-estimé, mais il est important de cerner cela, " a déclaré le chercheur principal de l'étude Umesh Vazirani, Roger A. Strauch Professeur de génie électrique et d'informatique à l'UC Berkeley. "En plus d'être une étape importante sur la voie des ordinateurs quantiques utiles, la suprématie quantique est un nouveau type d'expérience de physique pour tester la mécanique quantique dans un nouveau régime. La question fondamentale à laquelle il faut répondre pour une telle expérience est de savoir dans quelle mesure pouvons-nous être sûrs que le comportement observé est vraiment quantique et n'aurait pas pu être reproduit par des moyens classiques. C'est à cela que répondent nos résultats."

Les autres enquêteurs sur ce papier sont Adam Bouland et Bill Fefferman, tous deux boursiers de recherche postdoctorale, et Chinmay Nirkhe, un doctorat étudiant, tous dans le groupe de recherche en informatique théorique de Vazirani.

L'investissement dans le quantum s'intensifie

Le document arrive au milieu d'une activité accélérée au sein du gouvernement, les universités et l'industrie en sciences de l'information quantique. Le Congrès envisage la National Quantum Initiative Act, et le mois dernier, le département américain de l'Énergie et la National Science Foundation ont annoncé près de 250 millions de dollars de subventions pour soutenir la recherche en sciences et technologies quantiques.

À la fois, le Lawrence Berkeley National Laboratory et l'UC Berkeley ont annoncé la formation de Berkeley Quantum, un partenariat conçu pour accélérer et étendre l'innovation en science de l'information quantique.

Les enjeux sont élevés alors que la concurrence internationale dans la recherche quantique s'intensifie et que le besoin de calculs de plus en plus complexes augmente. Avec la véritable informatique quantique, les problèmes qui ne sont pas pratiques pour les supercalculateurs les plus rapides à ce jour pourraient être relativement efficaces à résoudre. Ce serait un changeur de jeu en cryptographie, simulations d'interactions moléculaires et chimiques et apprentissage automatique.

Les ordinateurs quantiques ne sont pas limités par les 0 et 1 traditionnels des bits d'un ordinateur traditionnel. Au lieu, bits quantiques, ou qubits, peut encoder des 0, 1s et toute superposition quantique des deux pour créer plusieurs états simultanément.

Lorsque Google a dévoilé Bristlecone, il a déclaré que la preuve empirique de sa suprématie quantique viendrait d'un échantillonnage de circuits aléatoires, une technique dans laquelle l'appareil utiliserait des paramètres aléatoires pour se comporter comme un circuit quantique aléatoire. Pour être convaincant, il faudrait également des preuves solides qu'il n'y a pas d'algorithme classique fonctionnant sur un ordinateur classique qui pourrait simuler un circuit quantique aléatoire, au moins dans un délai raisonnable.

Détecter les accents quantiques

L'équipe de Vazirani a fait référence à une analogie entre la sortie du circuit quantique aléatoire et une chaîne de syllabes aléatoires en anglais :même si les syllabes ne forment pas de phrases ou de mots cohérents, ils posséderont toujours un « accent » anglais et seront distinctement différents du grec ou du sanskrit.

Ils ont montré que produire une sortie aléatoire avec un "accent quantique" est en effet difficile pour un ordinateur classique grâce à une construction théorique de la complexité technique appelée "réduction du pire à la moyenne".

L'étape suivante consistait à vérifier qu'un appareil quantique parlait réellement avec un accent quantique. Cela repose sur le principe de Boucle d'or :une machine de 50 qubits est suffisamment grande pour être puissante, mais suffisamment petit pour être simulé par un supercalculateur classique. S'il est possible de vérifier qu'une machine à 50 qubits parle avec un accent quantique, alors cela fournirait une preuve solide qu'une machine de 100 qubits, qui serait excessivement difficile à simuler classiquement, le ferait, également.

Mais même si un supercalculateur classique était programmé pour parler avec un accent quantique, serait-il capable de reconnaître un locuteur natif ? La seule façon de vérifier la sortie du haut-parleur est par un test statistique, ont déclaré les chercheurs de Berkeley. Les chercheurs de Google proposent de mesurer le degré de correspondance par une métrique appelée "différence d'entropie croisée". Un score d'entropie croisée de 1 serait une correspondance idéale.

Le prétendu dispositif quantique peut être considéré comme se comportant comme un circuit quantique idéal avec un bruit aléatoire ajouté. Fefferman et Bouland disent que le score d'entropie croisée certifiera l'authenticité de l'accent quantique à condition que le bruit ajoute toujours de l'entropie à la sortie. Ce n'est pas toujours le cas - par exemple si le processus de bruit efface préférentiellement les 0 sur les 1, il peut en fait réduire l'entropie.

"Si les circuits aléatoires de Google sont générés par un procédé permettant de tels effacements, alors l'entropie croisée ne serait pas une mesure valide de la suprématie quantique, ", a déclaré Bouland. "C'est en partie pourquoi il sera très important pour Google de déterminer comment son appareil s'écarte d'un véritable circuit quantique aléatoire."

Ces résultats sont un écho du travail que Vazirani a fait en 1993 avec son élève Ethan Bernstein, ouvrant la porte aux algorithmes quantiques en présentant des accélérations par des ordinateurs quantiques violant un principe fondamental de l'informatique appelé la thèse Extended Church-Turing.

Peter Shor de Bell Labs a poussé leur travail un peu plus loin en montrant qu'un problème pratique très important, factorisation entière, pourrait être accéléré de façon exponentielle par un ordinateur quantique.

"Cette séquence fournit un modèle pour la course à la construction d'ordinateurs quantiques fonctionnels, " dit Vazirani. " La suprématie quantique est une violation expérimentale de la thèse de l'Église Étendue de Turing. Une fois celui-ci atteint, le prochain défi sera de concevoir des ordinateurs quantiques capables de résoudre des problèmes pratiques."