Les ordinateurs quantiques recèlent un grand potentiel pour résoudre de nombreux problèmes plus rapidement et plus efficacement que les ordinateurs conventionnels, mais les chercheurs commencent à identifier les points où ils pourraient faiblir.
Certains problèmes sont trop difficiles, même pour les ordinateurs quantiques
Les chercheurs ont identifié un « scénario cauchemardesque » lié à des types exotiques de matière quantique qui serait impossible à résoudre, même pour un ordinateur quantique très efficace.
Sans la complexité des états quantiques de la matière, déterminer la phase d’un matériau peut être relativement simple. Prenez l’eau, par exemple : il est simple de savoir si elle est en phase solide ou liquide. La version quantique de cette tâche peut toutefois s’avérer bien plus ardue. Thomas Schuster du California Institute of Technology et ses collègues ont prouvé que l'identification des phases quantiques de la matière peut devenir trop difficile, même pour les ordinateurs quantiques.
Ils ont analysé mathématiquement un scénario dans lequel un ordinateur quantique se voit présenter un ensemble de mesures sur l'état quantique d'un objet et doit identifier sa phase. Schuster affirme que ce n'est pas toujours un problème impossible, mais son équipe a prouvé que pour une partie substantielle des phases quantiques de la matière – les parents les plus exotiques de l'eau liquide et de la glace, telles que les phases « topologiques » qui comportent des courants électriques impairs – un ordinateur quantique peut avoir besoin de calculer pendant une période incroyablement longue. La situation ressemble à la pire version d’une expérience en laboratoire où l’identification des propriétés d’un échantillon nécessiterait de garder un instrument allumé pendant des milliards ou des milliards d’années.
Cela ne rend pas les ordinateurs quantiques pratiquement obsolètes pour cette tâche. Schuster affirme qu’il est peu probable que ces phases se manifestent dans des expériences réelles avec des matériaux ou des ordinateurs quantiques – elles constituent davantage un diagnostic des lacunes actuelles de notre compréhension du calcul quantique qu’une menace pratique imminente. « C'est comme un scénario de cauchemar qui serait très mauvais s'il apparaissait. Il n'apparaît probablement pas, mais nous devrions mieux le comprendre », dit-il.
Bill Fefferman, de l'Université de Chicago dans l'Illinois, affirme que ce programme d'études ouvre des questions intrigantes sur ce que les ordinateurs peuvent faire en général. « Cela révèle peut-être quelque chose sur les limites du calcul de manière plus générale : malgré des accélérations spectaculaires pour certaines tâches spécifiques, il y aura toujours des tâches encore trop difficiles, même pour des ordinateurs quantiques efficaces », dit-il.
Mathématiquement, la nouvelle étude relie les facettes de la science de l’information quantique utilisées dans la cryptographie quantique aux idées fondamentales de la physique de la matière. Elle pourrait donc également contribuer à faire progresser les deux, dit-il.
À l’avenir, l’équipe souhaite étendre son analyse aux phases quantiques de la matière qui sont plus énergétiques ou excitées, qui sont connues pour être difficiles à calculer encore plus largement.
