Google a annoncé une avancée majeure dans le domaine de l'informatique quantique, dévoilant le tout premier avantage quantique vérifiable grâce à sa puce quantique Willow. Dans le cadre de cette recherche, la puce Willow a exécuté l'algorithme « Quantum Echoes » et démontré des vitesses 13 000 fois plus rapides que les meilleurs supercalculateurs classiques au monde. Cette percée dépasse non seulement les limites informatiques précédentes, mais ouvre également la voie à des applications pratiques dans des domaines tels que la médecine et la science des matériaux, ouvrant ainsi la voie à l'impact réel de l'informatique quantique.L'informatique quantique est le sous-domaine de l'informatique qui traite des calculateurs 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. En effet, 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. Comme toutes les sciences dites « quantiques », l'informatique quantique est une science qui traite de sujets en rapport avec l'infiniment petit. Ainsi, ce qui permet les super-calculateurs quantiques en informatique, c'est l'utilisation d'unités de calculs infiniment petits et pouvant contenir énormément d'informations, qu'on appelle des Qbits (des Qtrits et des Qdits aussi, selon ce qu'on veut faire). Ce traitement particulier a permis notamment des prouesses de miniaturisation et des avancées spectaculaires pour augmenter les cadences de calcul, mais aussi pour construire de nouveaux outils, comme les lunettes quantiques.
Google a publié le 22 octobre dernier une recherche qui montre, pour la première fois dans l'histoire, qu'un ordinateur quantique peut exécuter avec succès un algorithme vérifiable sur du matériel, surpassant même les superordinateurs classiques les plus rapides (13 000 fois plus rapide). L'ordinateur peut calculer la structure d'une molécule et ouvre la voie à des applications concrètes.
Les récents progrès réalisés par Google sont le fruit de décennies de travail et de six années de percées majeures. En 2019, l'entreprise a démontré qu'un ordinateur quantique pouvait résoudre un problème qui prendrait des milliers d'années au superordinateur classique le plus rapide. Puis, à la fin de l'année dernière (2024), la nouvelle puce quantique Willow de Google a montré comment réduire considérablement les erreurs, résolvant ainsi un problème majeur qui préoccupait les scientifiques depuis près de 30 ans. La récente percée de l'entreprise la rapproche considérablement des ordinateurs quantiques capables de mener à des découvertes majeures dans des domaines tels que la médecine et la science des matériaux.
« Imaginez que vous essayez de retrouver un navire perdu au fond de l'océan. La technologie sonar pourrait vous donner une forme floue et vous dire : « Il y a une épave là-dessous. » Mais que se passerait-il si vous pouviez non seulement trouver le navire, mais aussi lire la plaque signalétique sur sa coque ? C'est le genre de précision sans précédent que nous venons d'atteindre avec notre puce quantique Willow. Aujourd'hui, nous annonçons une avancée algorithmique majeure qui marque une étape importante vers une première application concrète », a déclaré Google.
Dans un article récemment publié dans la revue Nature, Google a démontré le premier avantage quantique vérifiable en exécutant l'algorithme OTOC (Out-of-Order Time Correlator), qu'elle a nommé « Quantum Echoes ».
Selon l'entreprise, Quantum Echoes peut être utile pour étudier la structure des systèmes naturels, des molécules aux aimants en passant par les trous noirs. L'entreprise a démontré que l'algorithme fonctionne 13 000 fois plus vite sur Willow que le meilleur algorithme classique sur l'un des supercalculateurs les plus rapides au monde.
Dans une autre expérience de validation de principe intitulée « Quantum computation of molecular geometry via many-body nuclear spin echoes », Google a également montré comment sa nouvelle technique, une « règle moléculaire », permet de mesurer des distances plus longues que les méthodes actuelles, en utilisant les données de la résonance magnétique nucléaire (RMN) pour obtenir davantage d'informations sur la structure chimique.
L'algorithme Quantum Echoes, un avantage quantique vérifiable
Google a indiqué que c'est la première fois dans l'histoire qu'un ordinateur quantique réussit à exécuter un algorithme vérifiable qui surpasse les capacités des superordinateurs. La vérifiabilité quantique signifie que le résultat peut être reproduit sur l'ordinateur quantique de Google — ou tout autre ordinateur du même calibre — pour obtenir la même réponse, confirmant ainsi le résultat. Ce calcul reproductible, qui dépasse le cadre classique, est à la base d'une vérification évolutive, rapprochant les ordinateurs quantiques de leur utilisation dans des applications pratiques.
La nouvelle technique de Google fonctionne comme un écho très sophistiqué. L'équipe de Google envoie un signal soigneusement conçu dans leur système quantique (qubits sur la puce Willow), perturbe un qubit, puis inverse précisément l'évolution du signal pour écouter l'« écho » qui revient.
Cet écho quantique est particulier, car il est amplifié par interférence constructive, un phénomène dans lequel les ondes quantiques s'additionnent pour devenir plus fortes. Cela rend leur mesure incroyablement sensible.
Selon l'entreprise, la mise en œuvre de l'algorithme Quantum Echoes est rendue possible grâce aux avancées réalisées dans le domaine du matériel quantique par la puce Willow. L'année dernière, Willow a prouvé sa puissance avec le benchmark Random Circuit Sampling de Google, un test conçu pour mesurer la complexité maximale des états quantiques. L'algorithme Quantum Echoes représente un nouveau type de défi, car il modélise une expérience physique. Cela signifie que cet algorithme teste non seulement la complexité, mais aussi la précision du calcul final. C'est pourquoi Google l'appelle « quantique vérifiable », ce qui signifie que le résultat peut être comparé et vérifié par un autre ordinateur quantique de qualité similaire. Pour offrir à la fois précision et complexité, Google note que le matériel doit présenter deux caractéristiques essentielles : des taux d'erreur extrêmement faibles et des opérations à grande vitesse.
Vers une application concrète
Google estime que les ordinateurs quantiques joueront un rôle déterminant dans la modélisation des phénomènes quantiques, comme les interactions entre les atomes et les particules, ainsi que la structure des molécules. La société explique que l'un des outils utilisés par les scientifiques pour comprendre la structure chimique est la résonance magnétique nucléaire (RMN), la même science qui sous-tend la technologie IRM. Selon Google, la RMN agit comme un "microscope moléculaire", suffisamment puissant pour observer la position relative des atomes, ce qui aide à comprendre la structure d'une molécule. La modélisation de la forme et de la dynamique des molécules est également fondamentale en chimie, en biologie et en science des matériaux. L'entreprise affirme que les progrès dans ce domaine sous-tendent les avancées dans des domaines allant de la biotechnologie à l'énergie solaire en passant par la fusion nucléaire.
Dans le cadre d'une expérience de validation de principe menée en partenariat avec l'université de Californie à Berkeley, Google a exécuté l'algorithme Quantum Echoes sur sa puce Willow pour étudier deux molécules, l'une composée de 15 atomes et l'autre de 28 atomes. Selon l'entreprise, les résultats obtenus sur son ordinateur quantique ont correspondu à ceux de la RMN traditionnelle et ont révélé des informations généralement indisponibles avec la RMN, ce qui constitue une validation cruciale de l'approche de Google.
L'entreprise établit un parallèle en indiquant que, tout comme le télescope et le microscope ont ouvert de nouveaux mondes invisibles, cette expérience est un pas vers un « quantum-scope » capable de mesurer des phénomènes naturels auparavant inobservables. La société estime que la RMN améliorée par l'informatique quantique pourrait devenir un outil puissant dans la découverte de médicaments, en aidant à déterminer comment les médicaments potentiels se lient à leurs cibles, ou dans la science des matériaux pour caractériser la structure moléculaire de nouveaux polymères, de composants de batteries ou même des matériaux qui composent les bits quantiques (qubits).
« La résonance magnétique nucléaire (RMN) — la cousine spectroscopique de l'IRM — révèle la structure moléculaire en détectant les minuscules « spins » magnétiques au centre des atomes. L'algorithme Quantum Echoes de Google démontre le potentiel des ordinateurs quantiques pour modéliser et démêler efficacement les interactions complexes de ces spins, voire à longue distance. À mesure que l'informatique quantique continue de mûrir, de telles approches...
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