La mécanique quantique existe depuis plus de 120 ans. De l'expérience de la double fente à l'expérience de pensée du chat de Schrödinger, elle a toujours été considérée comme l'une des lois les plus mystérieuses et les plus complexes de la physique.
Le physicien théoricien américain Richard Feynman a dit un jour : « Si vous pensez comprendre la mécanique quantique, vous ne comprenez pas la mécanique quantique. »
Bien que la mécanique quantique semble lointaine, son développement est rapide : en 2016, la Chine a lancé avec succès le satellite d’expérimentation scientifique quantique « Micius » ; en 2022, le prix Nobel de physique a été décerné à trois scientifiques pour leurs contributions à la « science de l’information quantique ».
Récemment, Google a également réalisé des progrès significatifs dans le domaine de la mécanique quantique, décrit comme une innovation « marquante ».
Hartmut Neven, fondateur et directeur de l'équipe d'IA quantique de Google, a annoncé dans un article de blog le lancement de leur dernière puce quantique « Willow », affirmant qu'elle ouvre la voie aux ordinateurs quantiques à grande échelle.
Dans l'article, Neven a déclaré que cette puce « a les performances les plus avancées dans de nombreux paramètres » et « a réalisé deux réalisations majeures » :
- Premièrement, Willow a augmenté le nombre de « qubits » (105) et a réduit « significativement » les erreurs ;
- Deuxièmement, Willow a terminé son dernier « test de référence d’échantillonnage de circuit aléatoire (RCS) » en moins de 5 minutes.
Pour comprendre ces avancées révolutionnaires, nous devons comprendre comment fonctionnent les ordinateurs quantiques et les puces quantiques.
L’un des concepts fondamentaux de la mécanique quantique est la « superposition », ce qui signifie qu’un système quantique peut exister dans plusieurs états simultanément. Les ordinateurs quantiques exploitent cette superposition pour créer des « bits quantiques (qubits) », les unités de calcul fondamentales des ordinateurs quantiques.
Contrairement aux bits binaires des ordinateurs classiques, les qubits peuvent être en « superposition » de 0 et de 1 en même temps. Cet état permet aux ordinateurs quantiques de traiter simultanément plusieurs chemins ou états de calcul, ce qui les rend plus rapides et plus efficaces que les ordinateurs classiques pour résoudre certains problèmes complexes.
De plus, il existe une relation particulière entre les qubits appelée « intrication quantique » : lorsque les qubits sont intriqués, l’état d’un qubit affectera immédiatement l’état d’un autre, quelle que soit la distance qui les sépare.
Ainsi, en connaissant l’état d’un qubit, nous pouvons déduire l’état des autres qubits, ce qui permet le transfert d’informations. Cette caractéristique rend les ordinateurs quantiques plus efficaces pour partager et transmettre des informations lors de la résolution de problèmes complexes.
Cependant, l'état des qubits est très fragile et facilement perturbé par des environnements extérieurs (comme la température, les vibrations, les interférences électromagnétiques), ce qui entraîne la perte d'informations quantiques, un phénomène connu sous le nom de « décohérence quantique ». En raison de l'intrication, des erreurs peuvent se propager d'un qubit à d'autres, affectant ainsi la capacité de calcul.
De plus, comme les qubits ont tendance à échanger rapidement des informations avec leur environnement, il est difficile de protéger les informations nécessaires pour effectuer les calculs. En règle générale, plus un ordinateur quantique utilise de qubits, plus il y a d’erreurs, ce qui augmente le risque que le système entier revienne à un « système classique ».
Cependant, selon Hartmut Neven, les chercheurs de Google ont introduit une nouvelle méthode de « correction d'erreur quantique » qui permet à la puce Willow de réduire davantage d'erreurs à mesure que davantage de qubits sont utilisés, le taux d'erreur diminuant de manière exponentielle.
Hartmut Neven précise que cette avancée historique dans le domaine est connue sous le nom de « sous le seuil », ce qui signifie que les erreurs sont réduites tout en augmentant le nombre de qubits. Hartmut Neven souligne également que depuis que Peter Shor a introduit la correction d’erreurs quantiques en 1995, il s’agit d’une tâche extrêmement difficile.
Par conséquent, « en dessous du seuil » démontre « un réel progrès dans la correction des erreurs », et Willow est le premier système en dessous du seuil, ce qui indique la possibilité de construire des ordinateurs quantiques ultra-grands. Ce résultat de recherche a également été publié dans la revue « Nature ».
L'article mentionne que Willow a terminé le Test d'échantillonnage de circuit aléatoire (RCS), décrit comme « le test de référence classique le plus difficile sur les ordinateurs quantiques à ce jour », en seulement 5 minutes. Hartmut Neven déclare que les derniers résultats de Willow sont « les meilleurs jusqu'à présent ».
En revanche, le supercalculateur le plus rapide du monde mettrait 10^25 ans pour réaliser le RCS, un laps de temps qui dépasse l’âge de l’univers (environ 13.8 milliards d’années).
L'échantillonnage aléatoire de circuits (RCS) est une méthode utilisée pour évaluer les performances des ordinateurs quantiques. L'idée de base est d'utiliser un ordinateur quantique pour exécuter des opérations de portes quantiques sélectionnées de manière aléatoire, générer des états quantiques aléatoires, puis échantillonner et mesurer ces états quantiques.
Le RCS a été proposé pour la première fois par l'équipe de Hartmut Neven, qui déclare qu'il est désormais le «norme universelle dans le domaine. »
Il convient de noter qu'en 2019, Google a affirmé que son processeur quantique « Sycamore » pouvait réaliser en trois minutes un calcul que le supercalculateur le plus rapide du monde mettrait dix mille ans à réaliser, soulignant que son équipe de recherche avait réussi «suprématie quantique. »
IBM a contesté les résultats des tests de Sycamore, et le terme « suprématie quantique » a également suscité une vive controverse, malgré l’insistance de Google sur le fait qu’il s’agissait simplement d’un « terme artistique ». Par la suite, Google a essayé d’éviter d’utiliser ce terme, affirmant à la place qu’il avait accompli « des progrès au-delà de l’informatique classique ».
De plus, IBM et Honeywell utilisent généralement le terme « volume quantique » pour décrire et quantifier leurs dispositifs informatiques quantiques dans leurs recherches en mécanique quantique, un concept que Google n’utilise pas du tout. L’absence de norme unifiée rend difficile la comparaison des produits concurrents.
Hartmut Neven mentionne que la technologie quantique a des applications dans la collecte de données de formation de l'IA, le développement de nouveaux véhicules énergétiques et la découverte de nouveaux médicaments.
Hartmut Neven attend également avec impatience le prochain objectif de la recherche en mécanique quantique de Google : réaliser un calcul qui soit à la fois « pertinent pour les programmes pratiques » et « impossible à réaliser pour les ordinateurs classiques », le rendant véritablement « utile » et « au-delà du classique ».
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