Les ordinateurs quantiques devraient résoudre certains problèmes hors de portée des supercalculateurs les plus puissants imaginables. Atteindre cette étape a été surnommé « suprématie quantique ».
Mais la question de savoir si la suprématie quantique a déjà été atteinte et ce que cela signifierait pour le domaine reste incertaine.
Le terme « suprématie quantique » était inventé en 2012 par John Preskillprofesseur de physique théorique à Caltech, pour décrire le point auquel un ordinateur quantique peut faire quelque chose qu’un classique ne peut pas faire.
Franchir ce seuil est devenu une étoile directrice pour les entreprises technologiques qui construisent des ordinateurs quantiques à grande échelle. En 2019, en un article publié dans la revue NatureGoogle est devenu le premier à déclarer avoir atteint la suprématie quantique. D’autres groupes ont fait des déclarations similaires ces dernières années.
Cependant, plusieurs de ces affirmations, y compris celle de Google, ont depuis été rejetées, après que les chercheurs ont développé de nouveaux algorithmes classiques qui vont de pair avec les ordinateurs quantiques.
En outre, les expériences de suprématie quantique se sont concentrées sur des problèmes sans applications pratiques évidentes, ce qui suggère que les ordinateurs quantiques utiles pourraient encore être loin d’être utiles. William Feffermanprofesseur adjoint d’informatique à l’Université de Chicago, a déclaré à Live Science. Néanmoins, l’idée a contribué à faire progresser le domaine et constituera un tremplin crucial vers des machines plus puissantes, a-t-il ajouté.
« Vous devez marcher avant de pouvoir courir », a déclaré Fefferman. « Je ne pense pas que quiconque ait une feuille de route parfaite pour savoir comment passer de l’obtention d’un avantage quantique de manière vraiment décisive à cette prochaine étape consistant à résoudre un problème utile sur un ordinateur quantique à court terme. Mais je suis convaincu que c’est la première étape dans le processus. »
Comment les démonstrations de suprématie quantique se sont manifestées jusqu’à présent
Les informaticiens théoriques ont découvert plusieurs algorithmes quantiques qui peuvent, en principe, résoudre des problèmes beaucoup plus rapidement que les problèmes classiques. C’est parce qu’ils peuvent exploiter des effets quantiques comme enchevêtrement et la superposition pour coder les données de manière très efficace et traiter beaucoup plus de calculs en parallèle qu’un ordinateur classique ne le peut. Mais le nombre de qubits – l’équivalent quantique des bits – nécessaire pour les mettre en œuvre à une échelle suffisante pour montrer un avantage est bien au-delà de ce qui est disponible avec les processeurs quantiques d’aujourd’hui.
En conséquence, les efforts visant à démontrer la suprématie quantique se sont concentrés sur des problèmes hautement artificiels conçus pour favoriser l’ordinateur quantique. L’expérience de Google en 2019 impliquait un processeur de 54 qubits effectuant une série d’opérations aléatoires. Même si les résultats seraient fondamentalement inutiles, les chercheurs ont estimé qu’il faudrait environ 10 000 ans pour simuler le processus sur le supercalculateur Summit du laboratoire national d’Oak Ridge, la machine classique la plus puissante au monde à l’époque.
C’est parce que les propriétés inhabituelles de mécanique quantique signifie que simuler ces systèmes sur un ordinateur classique devient rapidement insoluble à mesure qu’ils grandissent, a déclaré Simon Benjaminprofesseur de technologies quantiques à l’Université d’Oxford. « Ce n’est pas que les ordinateurs quantiques soient des choses mystérieuses et magiques », a-t-il déclaré. « Nous connaissons les équations auxquelles elles obéissent. Mais à mesure que l’on considère les plus grandes, il devient de plus en plus difficile pour l’ordinateur classique de suivre ces équations. »
Cela est dû au phénomène quantique de superposition. Alors qu’un bit dans un ordinateur classique ne peut représenter que 1 ou 0, un qubit peut coder un mélange complexe des deux états en même temps. Surtout, plusieurs qubits peuvent être dans une superposition partagée, ce qui signifie qu’un système quantique peut représenter simultanément toutes les combinaisons possibles de valeurs de qubits.
Cela signifie que pour décrire deux qubits, il faut quatre nombres pour couvrir tous les états possibles du système, a expliqué Benjamin. Et pour chaque qubit supplémentaire, le nombre de bits classiques requis pour représenter l’état de l’ordinateur quantique double. « Assez vite, nous arrivons à des chiffres importants », a-t-il déclaré.
Pour donner une idée de la rapidité avec laquelle le problème évolue, a déclaré Benjamin, un système de 30 qubits peut être confortablement simulé sur un bon ordinateur portable. Avec 40 qubits, vous auriez besoin d’un supercalculateur à l’échelle universitaire, et avec environ 46 qubits, vous atteindriez les limites des machines classiques les plus puissantes du monde.
Cependant, ces estimations font référence au défi de simuler exactement un système quantique parfait. En réalité, les ordinateurs quantiques actuels sont très sujets aux erreurs, ce qui constitue un raccourci pour les algorithmes classiques. En 2022, un groupe de l’Académie chinoise des sciences a montré qu’un supercalculateur à l’échelle universitaire pourrait simuler l’expérience quantique de Google en 2019 en quelques heures seulement, en partie en sacrifiant la précision au profit de la vitesse.
Pourquoi l’utilité quantique est favorable à la suprématie quantique
D’autres revendications de suprématie quantique ont rencontré des défis similaires. Un groupe de l’Université des sciences et technologies de Chine a affirmé un article 2021 qu’une opération d’échantillonnage aléatoire qu’ils ont effectuée sur un ordinateur quantique basé sur la lumière de 144 qubits dépasserait n’importe quelle machine classique. Mais Fefferman a déclaré que son groupe avait depuis montré qu’ils peuvent exploiter le bruit du système pour simuler l’expérience en moins d’une heure. La même approche devrait être capable de simuler une situation similaire expérience de suprématie quantique annoncé par la startup Xanadu en 2022, a-t-il ajouté.
À la connaissance de Fefferman, deux expériences de suprématie quantique sont encore en cours. En 2023, Google utilisé un processeur de 70 qubits prolonger le résultat précédent de l’entreprise, et en 2024Quantinuum affirmait avoir franchi le cap avec son ordinateur quantique H2-1 de 56 qubits. Mais Fefferman ne serait pas surpris si des approches classiques étaient développées pour simuler rapidement ces expériences à l’avenir. « Je ne retiens pas mon souffle », a-t-il déclaré.
Pour parvenir définitivement à la suprématie quantique, il faudra soit une réduction significative des taux d’erreur du matériel quantique, soit une meilleure compréhension théorique du type de bruit que les approches classiques peuvent exploiter pour aider à simuler le comportement des ordinateurs quantiques sujets aux erreurs, a déclaré Fefferman.
Mais ce va-et-vient entre les approches quantiques et classiques contribue à faire avancer le domaine, a-t-il ajouté, créant un cercle vertueux qui aide les développeurs de matériel quantique à comprendre où ils doivent s’améliorer.
« Grâce à ce cycle, les expériences se sont considérablement améliorées », a déclaré Fefferman. « Et en tant que théoricien qui propose ces algorithmes classiques, j’espère qu’à terme, je ne pourrai plus le faire. »
Même s’il n’est pas certain que la suprématie quantique ait déjà été atteinte, il est clair que nous en sommes à l’aube, a déclaré Benjamin. Mais il est important de garder à l’esprit que franchir cette étape serait une réussite largement académique et symbolique, dans la mesure où les problèmes abordés n’ont aucune utilité pratique.
« Nous sommes à ce seuil, en gros, mais ce n’est pas un seuil intéressant, car de l’autre côté, rien de magique ne se produit », a déclaré Benjamin. « Les ordinateurs quantiques ne deviennent pas soudainement utiles. »
C’est pourquoi de nombreux acteurs du domaine recentrent leurs efforts sur un nouvel objectif : démontrer « l’utilité quantique », ou la capacité de démontrer une accélération significative par rapport aux ordinateurs classiques sur un problème pratique. Certains groupes, y compris des chercheurs d’IBMespèrent que même les ordinateurs quantiques actuels, sujets aux erreurs, pourront y parvenir à court terme sur certains problèmes spécifiques.
Google a également récemment franchi une étape clé dans la course à l’informatique quantique tolérante aux pannes. Son processeur quantique « Willow » a été le premier à supprimer plus d’erreurs que celles introduites lorsque vous augmentez le nombre de qubits physiques dans un qubit logique. Cela signifie une réduction exponentielle des erreurs et une voie possible vers une informatique quantique sans erreur.
Mais Benjamin a déclaré qu’il existe un consensus croissant dans le domaine selon lequel cette étape ne sera pas atteinte tant que nous n’aurons pas d’ordinateurs quantiques tolérants aux pannes. Cela nécessitera processeurs quantiques avec beaucoup plus de qubits que nous n’en avons aujourd’hui, a-t-il déclaré, car les codes de correction d’erreurs quantiques les mieux étudiés nécessitent de l’ordre de 1 000 qubits physiques pour produire un seul qubit tolérant aux pannes, ou logique.
Alors que les plus grands ordinateurs quantiques actuels viennent de franchir la barre des 1 000 qubits, ce chiffre est probablement encore loin. « Je suis optimiste quant à l’existence d’un tel ordinateur quantique, mais je suis pessimiste quant à son existence dans les cinq ou dix prochaines années », a déclaré Fefferman.
