Pour la première fois, les chercheurs ont prouvé mathématiquement qu'un ordinateur quantique peut résoudre une tâche particulière plus rapidement qu'un ordinateur ordinaire, d'une manière qui ne peut jamais être battue
Ordinateur quantique de Quannuum
Que peuvent faire les ordinateurs quantiques que leurs homologues traditionnels ne peuvent absolument pas? C'est l'une des plus grandes questions auxquelles la croissance rapide est confrontée, et maintenant nous avons enfin une réponse inattaquable.
Au lieu de bits classiques, les ordinateurs quantiques utilisent des qubits, qui peuvent exister dans plus d'états que «0» ou «1», leur donnant théoriquement un avantage de calcul. Mais si un ordinateur quantique peut faire quelque chose d'impossible ou impraticable même pour les meilleurs ordinateurs traditionnels – un exploit de suprématie quantique – s'est avéré être une question difficile et controversée à répondre. En effet, un véritable exemple de suprématie quantique doit être une tâche de calcul qui est pratique, il peut donc être testé sur du matériel quantique réaliste, et prouvable, de sorte que toutes les astuces mathématiques et algorithmiques qui pourraient aider un ordinateur classique finalement à rattraper doivent être rigoureusement exclues.
William Kretschmer à l'Université du Texas à Austin et ses collègues ont maintenant terminé une expérience qui satisfait aux deux critères. Contrairement à plusieurs affirmations passées de suprématie quantique, où les ordinateurs classiques ont finalement conclu l'écart de performance entre eux et leurs concurrents quantiques, les chercheurs disent maintenant que «notre résultat est prouvable et permanent: aucun développement futur dans les algorithmes classiques ne peut combler cet écart».
L'équipe a utilisé 12 qubits fabriqués à partir d'ions contrôlés par des lasers, qui ont été construits par la société de calcul quantique Quantinuum, pour effectuer une expérience avec des racines dans les mathématiques de la complexité de la communication. L'objectif est de trouver les moyens les plus efficaces pour deux expérimentateurs hypothétiques, appelés Alice et Bob, pour terminer un calcul en message mutuellement.
Une partie de l'ordinateur quantique, agissant comme Alice, prépare un état quantique particulier et l'envoie dans une autre partie de la machine, Bob, qui doit ensuite décider comment mesurer l'état d'Alice afin d'apprendre ses propriétés et de produire une sortie. En répétant ce processus, la paire peut créer un moyen de prédire ce que sera la sortie de Bob avant qu'Alice révèle son état.
Les chercheurs ont répété la procédure 10 000 fois et optimisé la façon dont Alice et Bob ont réalisé leurs parties du processus. Leur analyse de tous ces essais, combinée à une étude mathématique rigoureuse du protocole lui-même, a montré qu'aucun algorithme classique avec moins de 62 bits ne pouvait correspondre aux performances de l'ordinateur quantique à 12 qubit sur cette tâche. Le plus petit cas où ils pourraient prouver qu'un algorithme classique pourrait atteindre les mêmes performances nécessitait 330 bits – une différence de près de 30 fois dans la puissance de calcul nécessaire.
«Il s'agit d'un résultat scientifique remarquable qui montre que le paysage des« avantages quantiques »est plus large que certains pourraient le penser», explique Ashley Montanaro à l'Université de Bristol au Royaume-Uni. « Contrairement à la plupart des démonstrations de l'avantage quantique ou de la suprématie quantique, il n'y a aucun espoir qu'un meilleur algorithme classique se trouve – c'est impossible. »
Ronald de Wolf à l'Institut de recherche pour les mathématiques et l'informatique aux Pays-Bas affirme que l'expérience exploite efficacement les améliorations rapides récentes des ordinateurs quantiques existants et s'appuie sur des idées de la théorie de la complexité de la communication qui ont été explorées depuis plusieurs décennies.
«Il est connu que la complexité de la communication est une source de séparations entre quantum et classique qui sont à la fois prouvables et réalistes. La différence est qu'ils pourraient réellement implémenter le modèle maintenant pour la première fois, grâce aux progrès du matériel», dit-il. « Et ils ont rencontré un nouveau problème de complexité de communication avec un plus grand écart entre le classique et le quantum, et donc l'écart se présente déjà même lorsque vous utilisez simplement 12 qubits. »
Bien que le nouveau résultat se démarque de nombreuses démonstrations passées de suprématie quantique, elle partage un trait important avec eux: il n'est pas clair qu'il peut être immédiatement utile. Des exemples d'avantages quantiques qui pourraient avoir de grandes répercussions du monde réel, comme l'algorithme de Shor qui pourrait radicalement changer la cryptographie, manquent toujours de confirmation en termes de provabilité.
À l'avenir, l'équipe pourrait renforcer son résultat en faisant, par exemple, qu'Alice et Bob deux ordinateurs distincts, ce qui empêcherait la possibilité d'interactions non comptabilisées entre les deux affectant le résultat de l'ordinateur quantique, mais l'utilité de la suprématie quantique est la question la plus importante, explique De Wolf.
«Au-delà de la suprématie (quantique) devrait être l'étape vers la suprématie utile (quantique) et un ordinateur quantique faisant quelque chose de bien mieux que le classique pour un problème qui est réellement intéressant, comme un calcul de la chimie ou une optimisation logistique», dit-il.
