Certains problèmes de mathématiques sont si compliqués qu'ils peuvent paralyser même les supercalculateurs les plus puissants du monde. Mais une nouvelle frontière sauvage dans l'informatique qui applique les règles du domaine quantique offre une approche différente.

Une nouvelle étude dirigée par un physicien du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), publié dans la revue Rapports scientifiques , détaille comment une technique d'informatique quantique appelée « recuit quantique » peut être utilisée pour résoudre des problèmes liés aux questions fondamentales de la physique nucléaire concernant les éléments constitutifs subatomiques de toute matière. Cela pourrait également aider à répondre à d'autres questions épineuses dans la science et l'industrie, trop.

Chercher une solution quantique à de très gros problèmes

"Aucun algorithme de recuit quantique n'existe pour les problèmes que nous essayons de résoudre, " dit Chia Cheng " Jason " Chang, un boursier RIKEN iTHEMS de la division des sciences nucléaires du Berkeley Lab et un chercheur scientifique au RIKEN, un institut scientifique au Japon.

"Les problèmes que nous examinons sont vraiment, vraiment gros, " dit Chang, qui a dirigé l'équipe internationale derrière l'étude. "L'idée ici est que le recuit quantique peut évaluer un grand nombre de variables en même temps et renvoyer la bonne solution à la fin."

Le même algorithme de résolution de problèmes que Chang a conçu pour la dernière étude, et qui est accessible au public via un code open source, pourrait potentiellement être adapté et mis à l'échelle pour une utilisation dans l'ingénierie des systèmes et la recherche opérationnelle, par exemple, ou dans d'autres applications industrielles.

Algèbre classique avec un ordinateur quantique

« Nous préparons de petits exemples de « jouets » juste pour développer le fonctionnement d'un algorithme. La simplicité des recuits quantiques actuels est que la solution est classique, comme faire de l'algèbre avec un ordinateur quantique. Vous pouvez vérifier et comprendre ce que vous faites avec un recuit quantique d'une manière simple, sans le surcoût énorme de la vérification classique de la solution."

L'équipe de Chang a utilisé un recuit quantique commercial situé à Burnaby, Canada, appelé le D-Wave 2000Q qui comporte des éléments électroniques supraconducteurs refroidis à des températures extrêmes pour effectuer ses calculs.

L'accès au recuit D-Wave a été fourni via l'Oak Ridge Leadership Computing Facility du Oak Ridge National Laboratory (ORNL). "Ces méthodes nous aideront à tester la promesse des ordinateurs quantiques pour résoudre des problèmes de mathématiques appliquées qui sont importants pour la mission de calcul scientifique du département américain de l'Énergie, " a déclaré Travis Humble, directeur du Quantum Computing Institute de l'ORNL.

Données quantiques :Un, un zéro, Ou les deux à la fois

Il y a actuellement deux de ces machines en fonctionnement qui sont à la disposition du public. Ils fonctionnent en appliquant une règle commune en physique :les systèmes en physique ont tendance à rechercher leur état d'énergie le plus bas. Par exemple, dans une série de collines escarpées et de vallées profondes, une personne traversant ce terrain aurait tendance à se retrouver dans la vallée la plus profonde, car il faut beaucoup d'énergie pour en sortir et le moins d'énergie pour s'installer dans cette vallée.

Le recuit applique cette règle aux calculs. Dans un ordinateur typique, la mémoire est stockée dans une série de bits qui sont occupés par un ou un zéro. Mais l'informatique quantique introduit un nouveau paradigme dans les calculs :les bits quantiques, ou qubits. Avec des qubits, l'information peut exister comme une, un zéro, Ou les deux à la fois. Ce trait rend les ordinateurs quantiques mieux adaptés à la résolution de certains problèmes avec un très grand nombre de variables possibles qui doivent être prises en compte pour une solution.

Chacun des qubits utilisés dans la dernière étude produit finalement un résultat de un ou de zéro en appliquant la règle de l'état d'énergie la plus basse, et les chercheurs ont testé l'algorithme en utilisant jusqu'à 30 qubits logiques.

L'algorithme que Chang a développé pour fonctionner sur le recuit quantique peut résoudre des équations polynomiales, qui sont des équations qui peuvent avoir à la fois des nombres et des variables et dont la somme est égale à zéro. Une variable peut représenter n'importe quel nombre dans une large gamme de nombres.

Quand il y a "des calculs moins nombreux mais très denses"

Le Berkeley Lab et l'UC Berkeley voisin sont devenus un foyer de R&D dans le domaine émergent de la science de l'information quantique, et a annoncé l'année dernière la formation d'un partenariat appelé Berkeley Quantum pour faire progresser ce domaine.

Chang a déclaré que l'approche de recuit quantique utilisée dans l'étude, également connu sous le nom d'informatique quantique adiabatique, "fonctionne bien pour des calculs moins nombreux mais très denses, " et que la technique lui plaisait car les règles de la mécanique quantique lui sont familières en tant que physicien.

Les données de sortie du recuit étaient une série de solutions pour les équations triées en colonnes et en lignes. Ces données ont ensuite été mappées dans une représentation des qubits du recuit, Chang a expliqué, et la majeure partie de l'algorithme a été conçue pour tenir compte correctement de la force de l'interaction entre les qubits du recuit. « Nous avons répété le processus des milliers de fois » pour aider à valider les résultats, il a dit.

« Résoudre le système de manière classique en utilisant cette approche prendrait un temps exponentiellement long, mais la vérification de la solution a été très rapide" avec le recuit, il a dit, car il résolvait un problème classique avec une solution unique. Si le problème était de nature quantique, la solution devrait être différente à chaque fois que vous la mesurez.

Applications concrètes d'un algorithme quantique

Comme les ordinateurs quantiques sont équipés de plus de qubits qui leur permettent de résoudre plus rapidement des problèmes plus complexes, ils peuvent également potentiellement conduire à des économies d'énergie en réduisant l'utilisation de supercalculateurs beaucoup plus gros qui pourraient prendre beaucoup plus de temps pour résoudre les mêmes problèmes.

L'approche quantique met à portée de main des solutions directes et vérifiables à des problèmes impliquant des systèmes « non linéaires », dans lesquels le résultat d'une équation ne correspond pas proportionnellement aux valeurs d'entrée. Les équations non linéaires sont problématiques car elles peuvent sembler plus imprévisibles ou chaotiques que d'autres problèmes « linéaires » qui sont beaucoup plus simples et résolvables.

Chang a demandé l'aide d'experts en informatique quantique aux États-Unis et au Japon pour développer l'algorithme testé avec succès. Il a dit qu'il espérait que l'algorithme s'avérerait finalement utile pour les calculs qui peuvent tester comment les quarks subatomiques se comportent et interagissent avec d'autres particules subatomiques dans les noyaux des atomes.

Bien que ce soit une prochaine étape passionnante pour travailler à appliquer l'algorithme pour résoudre des problèmes de physique nucléaire, "Cet algorithme est beaucoup plus général que juste pour la science nucléaire, " a noté Chang. " Ce serait passionnant de trouver de nouvelles façons d'utiliser ces nouveaux ordinateurs. "