Des chercheurs de Google ont utilisé leur ordinateur quantique Willow pour démontrer que la « contextualité quantique » pourrait être un ingrédient crucial de ses prouesses informatiques.
L'ordinateur quantique Willow de Google
Qu’est-ce qui rend les ordinateurs quantiques plus puissants que les machines conventionnelles ? Une nouvelle expérience montre que la propriété de « contextualité quantique » pourrait être un ingrédient clé.
Les ordinateurs quantiques sont fondamentalement différents de tous les autres ordinateurs car ils exploitent de manière unique des phénomènes quantiques absents de l’électronique conventionnelle. Par exemple, leurs éléments constitutifs, appelés qubits, sont régulièrement placés dans des états de superposition – ils semblent assumer simultanément deux propriétés qui s’excluent normalement mutuellement – ou ils sont connectés via le lien inextricable de l’intrication quantique.
Désormais, les chercheurs de Google Quantum AI ont utilisé leur ordinateur quantique Willow pour réaliser plusieurs démonstrations montrant que la propriété de contextualité quantique joue également un rôle important.
La contextualité quantique capture une bizarrerie dans la mesure des propriétés des objets quantiques. Bien que la couleur d'un stylo, par exemple, ne soit pas affectée par le fait que vous le mesuriez avant ou après avoir mesuré la longueur du stylo, pour un objet quantique, les résultats des mesures ne peuvent pas être traités comme des propriétés préexistantes indépendantes de toutes les autres mesures.
Cette contextualité a déjà été étudiée dans le cadre d’expériences spécialisées avec la lumière quantique, et en 2018, une équipe de chercheurs a prouvé mathématiquement qu’elle pouvait également être utilisée dans un algorithme d’informatique quantique.
Notamment, cet algorithme permettrait à un ordinateur quantique de trouver une formule mathématique cachée dans un objet mathématique plus grand en un nombre fixe d'étapes, quelle que soit la taille de cet objet. En d’autres termes, la contextualité quantique permet quelque chose qui s’apparente à la recherche d’une aiguille dans une botte de foin, quelle que soit la taille de la botte de foin.
L'expérience de Google a mis en œuvre cet algorithme sur un nombre croissant de qubits, de quelques-uns à 105, ce qui équivaut à faire croître une botte de foin. Étant donné que Willow a plus de bruit, ce qui signifie qu'il est moins exempt d'erreurs, que l'ordinateur quantique théorique idéal pour lequel l'algorithme a été écrit, le nombre d'étapes a augmenté avec le nombre de qubits. Cependant, Willow utilisait encore moins d’étapes que ce dont les chercheurs estimaient qu’un ordinateur traditionnel aurait besoin.
De cette manière, la contextualité quantique semble conduire à un avantage quantique – un cas où un ordinateur quantique exploite son caractère quantique pour battre les performances des appareils classiques. De plus, l’équipe a mis en œuvre plusieurs autres protocoles informatiques quantiques qui s’appuient sur la contextualité quantique et a constaté que ses effets étaient plus forts que dans les études précédentes.
« Quand j'ai entendu parler de cela pour la première fois, j'ai dit que cela ne pouvait pas être vrai. C'est assez étonnant », déclare Adán Cabello, de l'Université de Séville, en Espagne.
« Ces résultats démontrent clairement à quel point les ordinateurs quantiques actuels repoussent les limites de la physique quantique expérimentale », déclare Vir Bulchandani de l'Université Rice au Texas. Il affirme que tout ordinateur quantique candidat à un avantage quantique utile devrait être capable d’effectuer ces tâches, comme référence de son caractère quantique.
Cependant, la démonstration n'est pas encore une preuve d'un avantage quantique qui pourrait être utilisé dans la pratique, car l'algorithme de 2018 a rigoureusement prouvé la supériorité de l'ordinateur quantique sur les ordinateurs classiques uniquement pour un nombre de qubits plus grand que celui de Willow, et en utilisant des qubits moins sujets aux erreurs, explique Daniel Lidar de l'Université de Californie du Sud. La prochaine étape pourrait consister à relier ces nouveaux travaux à des algorithmes de correction d’erreurs quantiques, dit-il.
En plus d’offrir une nouvelle référence pour les ordinateurs quantiques, cette expérience souligne également l’importance des aspects les plus fondamentaux de la physique quantique. Cabello affirme que les chercheurs ne disposent toujours pas d'une théorie complète sur ce qui cause exactement l'avantage quantique, mais contrairement à l'intrication, qui doit souvent être créée, la contextualité est, d'une certaine manière, intégrée aux objets quantiques. Les ordinateurs quantiques tels que Willow sont désormais suffisamment performants pour nous obliger à prendre très au sérieux l’étrangeté de la physique quantique, dit-il.
