Au cours des six dernières années, le Los Alamos National Laboratory a conduit le monde à essayer de comprendre l'un des obstacles les plus frustrants qui sont confrontés à un calcul quantique variationnel: le plateau stérile.
« Imaginez un paysage de sommets et de vallées », a déclaré Marco Cerezo, le scientifique principal de l'équipe de Los Alamos. « Lors de l'optimisation d'un algorithme quantique variationnel ou paramétré, il faut régler une série de boutons qui contrôlent la qualité de la solution et vous déplacer dans le paysage. Ici, un pic représente une mauvaise solution et une vallée représente une bonne solution. Mais lorsque les chercheurs développent des algorithmes, ils trouvent parfois leur modèle que nous appelons un plateau plus bancaire. »
Pour ces méthodes de calcul quantique, les plateaux stériles peuvent être des impasses mathématiques, empêchant leur implémentation dans des problèmes réalistes à grande échelle. Les scientifiques ont passé beaucoup de temps et de ressources à développer des algorithmes quantiques uniquement pour constater qu'ils calent parfois inexplicablement. Comprendre quand et pourquoi des plateaux stériles se posent ont été un problème qui a pris les années communautaires à résoudre.
Un nouvel article de revue, publié dans Nature Reviews Physics et dirigé par une équipe de scientifiques de Los Alamos, présente le aperçu le plus complet à ce jour des raisons pour lesquelles des plateaux stériles existent, comment les prédire et les moyens potentiels à suivre.
« Les plateaux stériles ne sont pas le seul problème auquel il est confronté à l'informatique quantique variationnelle, mais c'est le principal problème en ce moment », a déclaré Martin Larocca, auteur de l'étude avec la physique du laboratoire de matière condensée et du groupe de systèmes complexes. « Avec cet article, nous voulons relayer ce que nous avons appris sur les plateaux stériles de la communauté et montrer que nous comprenons ce phénomène. »
Déchiffrer le paysage
Dans le nouvel article de la revue, l'équipe de Los Alamos et une communauté de scientifiques du monde entier, dans les institutions privées et publiques, donnent un aperçu des tenants et aboutissants des plateaux stériles après six ans de recherches intenses.
Pour la première fois, cet article collecte différentes notions pour les plateaux stériles et définit les origines qui provoquent chacune, comme la malédiction de la dimensionnalité (un problème qui se produit lorsque les scientifiques analysent les données dans des espaces de haute dimension) ou la présence de bruit, entre autres.
L'équipe discute ensuite de diverses architectures algorithmiques quantiques qui sont sujettes aux plateaux stériles et à ceux qui peuvent les éviter. Cela a été possible, en partie, car cette même équipe de scientifiques de laboratoire a développé la première équation à déduire si un algorithme quantique rencontrera un plateau stérile. Cela a à son tour permis aux scientifiques du laboratoire de relier l'absence de plateaux stériles à la déshabantidation des algorithmes, c'est-à-dire au fait qu'il pourrait ne pas fonctionner mieux que ses homologues classiques.
« Nos recherches ont créé beaucoup d'inertie dans ce domaine », a déclaré Larocca. « C'est pourquoi nous pensons qu'il est important de condenser six ans de travail dans un article. Nous voulons que les gens, en particulier les jeunes scientifiques, apprennent des erreurs que nous avons identifiées afin qu'ils puissent nous aider à trouver des solutions aux plateaux stériles, mais plus généralement aux minima locaux et aux problèmes de déquantification. »
Un chemin à terme
Au-delà de l'identification des problèmes, l'équipe fait également avancer les chemins potentiels. Une leçon que les chercheurs ont soulignée est que l'emprunt des méthodes algorithmiques de l'informatique classique est un processus qui semble avoir suivi son cours.
« L'histoire des plateaux stériles reflète la façon dont nous pensons à l'optimisation dans les systèmes quantiques », a déclaré Cerezo. « Nous ne pouvons pas continuer à copier et coller des méthodes de l'informatique classique dans le monde quantique. »
Au lieu de cela, l'équipe suggère que les scientifiques sur le terrain se déplacent vers de nouvelles méthodes variationnelles pour développer des algorithmes quantiques. Cela devra probablement venir avec les progrès de l'informatique quantique, à savoir de nouvelles façons de traiter de manière cohérente les informations dans les ordinateurs quantiques. Ensemble, espérons-le, ce chemin portera plus rapidement le domaine des tests théoriques aux tests pratiques.
