Un processeur quantique a résolu en quelques minutes un problème complexe du monde réel qu'un superordinateur classique mettrait des millions d'années à résoudre

Affirment des chercheurs de D-Wave Quantum Inc

Un processeur quantique a résolu en quelques minutes un problème complexe du monde réel qu'un superordinateur classique mettrait des millions d'années à résoudre, affirment des chercheurs de D-Wave Quantum Inc

Le bras de fer entre les ordinateurs quantiques et les ordinateurs classiques s'intensifie. En quelques minutes seulement, un processeur quantique spécial, appelé processeur de recuit quantique, a résolu un problème complexe du monde réel qu'un superordinateur classique mettrait des millions d'années à résoudre, affirment des chercheurs de D-Wave Quantum Inc. dans la revue Science. Et ce superordinateur, selon l'équipe, consommerait plus d'énergie que la planète entière n'en consomme en un an pour effectuer l'ensemble des calculs. Cependant, un autre groupe de chercheurs affirme avoir déjà trouvé un moyen pour qu'un superordinateur classique puisse résoudre un sous-ensemble du même problème en un peu plus de deux heures.

La récente percée de D-Wave s'appuie sur des années de développement menée par l'entreprise dans le domaine de l'informatique quantique. En septembre 2020, D-Wave a annoncé le lancement d'Advantage, un ordinateur quantique de 5 000 qubits conçu pour les applications d'entreprise. Contrairement aux systèmes quantiques à usage général, Advantage se concentre sur les problèmes d'optimisation, offrant aux entreprises de nouveaux matériels, logiciels et outils pour accélérer l'adoption de l'informatique quantique.


L'informatique quantique est le sous-domaine de l'informatique qui traite des superordinateurs quantiques et des modèles de calcul associés. La notion s'oppose à celle d'informatique dite « classique » n'exploitant que des phénomènes décrits par la physique classique, notamment l'électricité ou la mécanique classique. L'informatique quantique utilise également des phénomènes décrits par la mécanique quantique, comme l'intrication quantique ou la superposition quantique. Les opérations ne sont plus basées sur la manipulation de bits dans un état 1 ou 0, mais de qubits en superposition d'états 1 et 0.

Les ordinateurs quantiques s'appuient quant à elles sur les principes de la mécanique quantique pour offrir potentiellement d'énormes avantages en termes de puissance de traitement et de vitesse par rapport aux ordinateurs classiques que nous connaissons dans notre vie quotidienne. Cette capacité permet théoriquement aux ordinateurs quantiques de résoudre des problèmes beaucoup plus rapidement que les ordinateurs classiques.

Ces nouveaux résultats contradictoires font suite à des affirmations similaires formulées ces dernières années. Le domaine naissant de l'informatique quantique a progressé au même rythme que les techniques visant à rendre les superordinateurs plus efficaces, ce qui a donné lieu à une rivalité étroite. Si les ordinateurs quantiques ont démontré leur capacité à résoudre des problèmes véritablement aléatoires plus rapidement que les ordinateurs classiques, ils n'ont pas encore réussi à s'imposer pour des problèmes physiques pertinents pour les systèmes du monde réel.

Un processeur de recuit quantique pour simuler l'évolution des matériaux magnétiques

Lors du dernier affrontement entre les ordinateurs quantiques et classiques, les chercheurs de D-Wave Quantum Inc. à Burnaby, au Canada, ont utilisé un ordinateur quantique équipé d'un processeur de recuit quantique. Les processeurs de recuit diffèrent des autres processeurs quantiques plus typiques et se sont révélés prometteurs dans la réalisation de tâches spécifiques. Ces processeurs sont mieux équipés pour résoudre des problèmes de grande taille, car leurs bits quantiques, ou qubits, sont couplés à de nombreux autres qubits au lieu d'un seul, comme c'est le cas dans les autres types de processeurs quantiques. Mais ils ne sont utiles que pour des types de problèmes spécifiques, tels que les problèmes d'optimisation, si bien que les ordinateurs de D-Wave ont suscité le scepticisme des scientifiques par le passé.

Pour ce nouveau résultat, les chercheurs de D-Wave ont utilisé un processeur de recuit quantique pour simuler la dynamique quantique en utilisant des réseaux de pièces désordonnées magnétisées connues sous le nom de verres de spin. Cette configuration est pertinente pour la science des matériaux, car la compréhension de l'évolution de ces systèmes peut aider à concevoir de nouveaux métaux.

« Il s'agit d'une simulation de matériaux magnétiques », explique Mohammad Amin, responsable scientifique chez D-Wave. « Les matériaux magnétiques sont très importants dans l'industrie et dans la vie quotidienne », apparaissant dans des appareils tels que les téléphones portables, les disques durs et les capteurs médicaux spécialisés.


Les chercheurs ont simulé l'évolution de tels systèmes en deux et trois dimensions, ainsi qu'en dimensions infinies. Après avoir tenté de résoudre le problème avec des approximations sur un superordinateur, ils ont conclu qu'il était impossible de le faire dans un délai raisonnable.

« Il s'agit d'un résultat marquant dans le domaine de l'informatique quantique », déclare Andrew King, informaticien quantique chez D-Wave. « Nous avons démontré la suprématie quantique pour la première fois sur un problème concret d'un intérêt réel ».

Le physicien Daniel Lidar, directeur du centre d'informatique quantique de l'université de Californie du Sud à Los Angeles, reconnaît que l'équipe de D-Wave a franchi une étape importante. « C'est un travail très impressionnant », déclare Daniel Lidar, qui n'a participé à aucune des deux études, mais qui travaille avec un appareil D-Wave. « Ils ont vraiment réussi à effectuer des simulations quantiques sur leur matériel qui sont hors de portée des méthodes classiques actuelles. »

D'autres chercheurs ont réussi à simuler le même problème avec un superordinateur classique

Toutefois, l'affirmation selon laquelle "les simulations quantiques sur le matériel de D-Wave sont hors de portée des méthodes classiques actuelles" est sujette à controverse. Andrew King et ses collègues ont publié une version préliminaire de leur article il y a environ un an sur arXiv.org, ce qui a permis à un autre groupe de chercheurs d'examiner les résultats.

Joseph Tindall, informaticien quantique au Flatiron Institute de New York, et ses collègues ont simulé une partie du même problème à l'aide d'un superordinateur classique. Ils ont mis au point une méthode qui reprend un algorithme vieux de 40 ans, appelé propagation de convictions, couramment utilisé dans le domaine de l'intelligence artificielle. Leurs résultats, soumis à arXiv.org le 7 mars mais pas encore évalués par les pairs, sont censés être plus précis que ceux de l'ordinateur quantique pour certains cas de systèmes bidimensionnels et tridimensionnels.

« Pour le problème du verre de spin en question, notre approche classique surpasse manifestement les autres méthodes rapportées », écrit le groupe dans une ébauche de son étude. « Dans [deux cas], nous sommes également en mesure d'atteindre des erreurs sensiblement inférieures à l'approche de recuit quantique employée par le système D-Wave Advantage2.

Les simulations classiques n'ont porté que sur un sous-ensemble des résultats de D-Wave, et les deux groupes ne sont pas d'accord sur la question de savoir si les simulations classiques peuvent reproduire toutes les capacités des simulations par ordinateur quantique, en particulier pour le système tridimensionnel.

Cependant, l'ordinateur quantique a incontestablement excellé avec le système à dimensions infinies. Bien qu'il ne soit pas strictement physique, ce système est utile pour améliorer l'intelligence artificielle. Le simuler classiquement nécessiterait une approche totalement différente des méthodes utilisées pour les systèmes bidimensionnels et tridimensionnels, explique Daniel Lidar. La question de savoir s'il est possible de le faire reste ouverte.

Malgré les progrès récents, le scepticisme persiste quant à la viabilité à court terme de l'informatique quantique. Le 8 janvier dernier, les actions de l'informatique quantique se sont effondrées après que le PDG de Nvidia, Jensen Huang, a déclaré que les applications pratiques de la technologie n'interviendraient probablement pas avant une vingtaine d'années. Des entreprises telles que D-Wave Quantum, Rigetti Computing et IonQ ont ainsi vu leurs actions chuter de plus de 40 %, réduisant à néant une valeur de marché estimée à 8 milliards de dollars.

Source : "Beyond-classical computation in quantum simulation" (Etude de D-Wave Quantum)

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