Les ordinateurs quantiques ont le potentiel d'accélérer le calcul, d'aider à concevoir de nouveaux médicaments, de casser les codes et de découvrir de nouveaux matériaux exotiques, mais ce n'est que lorsqu'ils sont vraiment fonctionnels.
Une chose clé qui gêne: le bruit ou les erreurs qui sont produites lors des calculs sur une machine quantique – qui les rend en fait moins puissants que les ordinateurs classiques – jusqu'à récemment.
Daniel Lidar, titulaire de la professeur de professeur Viterbi en ingénierie et professeur d'ingénierie électrique et informatique à la USC Viterbi School of Engineering, a itéré sur la correction d'erreur quantique, et dans une nouvelle étude avec des collaborateurs de l'USC et de Johns Hopkins, a été en mesure de démontrer un avantage à l'échelle exponentielle de l'USC, en utilisant deux calculs de compromis de 127-Qubit, un compromis quanm nuage.
L'article, «Démonstration de SpeedUp quantique algorithmique pour un problème de sous-groupe caché Abelian», est publié dans la revue Revue physique x.
« Il y a eu auparavant des démonstrations de types plus modestes d'accélération comme une accélération polynomiale, explique Lidar, qui est également le cofondateur de Quantum Elements, Inc. » mais une accélération exponentielle est le type de vitesse le plus dramatique que nous nous attendons à voir à partir d'ordinateurs quantiques. «
Le jalon clé pour l'informatique quantique, dit Lidar, a toujours été de démontrer que nous pouvons exécuter des algorithmes entiers avec une accélération de mise à l'échelle par rapport aux ordinateurs « classiques » ordinaires.
Il précise qu'une accélération de mise à l'échelle ne signifie pas que vous pouvez faire des choses, disons, 100 fois plus vite. « Plutôt, c'est que lorsque vous augmentez la taille d'un problème en incluant plus de variables, l'écart entre le quantum et les performances classiques continue de croître. Et une accélération exponentielle signifie que l'écart de performance double à peu près pour chaque variable supplémentaire. De plus, la vitesse que nous avons démontrée est inconditionnelle. »
Ce qui rend une accélération «inconditionnelle», explique Lidar, c'est qu'elle ne repose pas sur des hypothèses non prouvées. Les allégations de vitesses antérieures exigeaient l'hypothèse qu'il n'y a pas de meilleur algorithme classique par rapport à lequel comparer l'algorithme quantique.
Ici, l'équipe dirigée par LiDAR a utilisé un algorithme qu'ils ont modifié pour l'ordinateur quantique pour résoudre une variation du «problème de Simon», un exemple précoce d'algorithmes quantiques qui peuvent, en théorie, résoudre une tâche de façon exponentielle plus rapide que n'importe quel homologue classique, inconditionnellement.
Le problème de Simon consiste à trouver un motif de répétition caché dans une fonction mathématique et est considéré comme le précurseur de ce que l'algorithme d'affacturage de Shor, qui peut être utilisé pour casser les codes et a lancé l'ensemble du domaine de l'informatique quantique. Le problème de Simon est comme un jeu de devinettes, où les joueurs essaient de deviner un numéro secret connu uniquement de l'hôte de jeu (l'oracle « ).
Une fois qu'un joueur devine deux numéros pour lesquels les réponses renvoyées par l'Oracle sont identiques, le numéro secret est révélé et ce joueur gagne. Les joueurs quantiques peuvent gagner ce jeu exponentiellement plus rapidement que les joueurs classiques.
Alors, comment l'équipe a-t-elle réalisé son accélération exponentielle? Phattharaporn Singkanipa, chercheur doctorant et premier auteur de l'USC, dit: « La clé était de presser chaque once de performances du matériel: circuits plus courts, séquences d'impulsions plus intelligentes et atténuation des erreurs statistiques. »
Les chercheurs ont réussi à cela de quatre manières différentes:
Premièrement, ils ont limité l'entrée de données en restreignant le nombre de nombres secrètes autorisés (techniquement, en limitant le nombre de 1 dans la représentation binaire de l'ensemble des nombres secrets). Cela a entraîné moins d'opérations logiques quantiques que ce qui serait nécessaire autrement, ce qui a réduit la possibilité de l'accumulation d'erreurs.
Deuxièmement, ils ont comprimé le nombre d'opérations logiques quantiques requises autant que possible en utilisant une méthode connue sous le nom de transpilation.
Troisièmement, et surtout, les chercheurs ont appliqué une méthode appelée «découplage dynamique», ce qui signifie appliquer des séquences d'impulsions soigneusement conçues pour détacher le comportement des qubits dans l'ordinateur quantique à partir de leur environnement bruyant et garder le traitement quantique sur la bonne voie. Le découplage dynamique a eu l'impact le plus dramatique sur leur capacité à démontrer une accélération quantique.
Enfin, ils ont appliqué «l'atténuation des erreurs de mesure», une méthode qui trouve et corrige certaines erreurs qui restent après un découplage dynamique en raison des imperfections dans la mesure de l'état des Qubits à la fin de l'algorithme.
Lidar, qui est également professeur de chimie et de physique au USC Dornsife College of Letters, Arts and Science, a déclaré: « La communauté informatique quantique montre comment les processeurs quantiques commencent à surpasser leurs homologues classiques dans les tâches ciblées, et se rendent dans un calcul classique du territoire.
Il ajoute qu'avec cette nouvelle recherche, « la séparation des performances ne peut pas être inversée parce que l'accélération exponentielle que nous avons démontrée est, pour la première fois, inconditionnelle. » En d'autres termes, l'avantage de performance quantique devient de plus en plus difficile à contester.
LIDAR met en garde que « ce résultat n'a pas d'applications pratiques au-delà de gagner des jeux de devinettes, et il reste beaucoup plus de travail à faire avant que les ordinateurs quantiques puissent être affirmés pour avoir résolu un problème pratique du monde réel ».
Cela nécessitera une démonstration de vitesses qui ne reposent pas sur des « oracles » qui connaissent la réponse à l'avance et faisant des progrès significatifs dans les méthodes de réduction supplémentaire du bruit et de la décohérence dans des ordinateurs quantiques toujours plus grands. Néanmoins, la «promesse sur papier» de Quantum Computers de fournir des accéléreuses exponentives a maintenant été fermement démontrée.
