L'informatique quantique est-elle plus proche de la réalité?

L’informatique quantique - l’idée de travailler avec des ordinateurs qui présentent des propriétés quantiques, comme pouvoir tenir plusieurs états en même temps - fait l’objet d’un long débat, mais semble maintenant se rapprocher de la réalité, avec de grandes avancées. Lors de la conférence Techonomy de la semaine dernière, j'ai eu l'occasion d'accueillir un panel sur le sujet avec les dirigeants de certaines des sociétés qui insistent sur le sujet, notamment D-Wave et IBM.

Bryan Jacobs, consultant chez Berberian & Company, qui donne des conseils sur l’informatique quantique, a expliqué que dans toute l’électronique que nous utilisons aujourd’hui, les informations sont stockées sous la charge d’un électron, actif ou non. en d'autres termes, un peu. Mais si vous encodez les informations dans un état quantique, tel qu'un électron ou un photon, vous pouvez les mapper en un zéro et un, tout comme un bit classique classique, mais aussi une superposition, où elles peuvent être zéro et un simultanément.. Il a expliqué que la notion intéressante est que si vous avez un ordinateur quantique qui contient un grand nombre de ces bits quantiques (souvent appelés qubits), vous pouvez le démarrer en superposant toutes les entrées possibles en même temps, puis, si vous le pouvez. traiter les informations de manière quantique et cohérente, vous pouvez en même temps calculer la même fonction sur toutes les entrées possibles simultanément. C'est ce qu'on appelle le parallélisme quantique. Il a noté que les gens essayent aujourd'hui différentes approches - l'une est basée sur un portail, qui ressemble plus à un ordinateur numérique traditionnel, et l'autre s'apparente à un processus analogique, appelé recuit quantique.

Vern Brownell, PDG de D-Wave Systems, qui a en fait livré quelques machines qui utilisent le recuit quantique, a déclaré que sa société avait choisi d'utiliser cette approche d'abord "parce que nous pensions que cela nous donnerait des capacités plus rapides que tout autre type de technologie quantique. mise en œuvre informatique. " Il a déclaré que D-Wave avait également examiné d'autres modèles d'informatique quantique, mais que cette approche était la plus pragmatique.

Il a expliqué qu’il disposait effectivement d’un dispositif de recuit quantique avec un millier de qubits, capable d’explorer un espace de réponses de deux possibilités différentes au nombre de qubits. Cela fonctionne essentiellement sur des problèmes d'optimisation complexes et cherche à trouver l'énergie la plus basse ou la meilleure réponse à ce problème d'optimisation. Brownell a fait remarquer que Google avait mis à niveau une machine précédemment achetée pour son laboratoire d'intelligence artificielle quantique, en examinant en quoi cela pouvait aider à l'apprentissage automatique. Lockheed est un autre client qui étudie un problème appelé vérification et validation de logiciel.

Brownell a reconnu qu'aucun de ces exemples n'avait encore été mis en production, mais ils ont exécuté de véritables applications qui résolvent de vrais problèmes à grande échelle. En d'autres termes, ils n'ont pas encore atteint le point où la machine D-Wave surpasse les supercalculateurs classiques, mais il a déclaré: "Nous sommes très proches de cela." Au cours des prochains mois, la société montrera "qu'un ordinateur quantique peut surpasser tout ce que l'ordinateur classique peut faire de mieux. Nous en sommes à ce point charnière".

Mark Ritter, membre éminent de l'équipe de recherche et directeur principal du département des sciences physiques du centre de recherche IBM TJ Watson, a expliqué que son équipe réalisait un certain nombre de projets quantiques différents, mais qu'il centrait ses travaux sur l'informatique quantique et la correction d'erreur basées sur gate.

Sergey Bravyi, l'un des théoriciens de son équipe, a inventé "un code de parité topologique". Il a expliqué que nous utilisons également des codes de correction d'erreur dans les ordinateurs traditionnels, mais que les informations quantiques sont très fragiles. Pour créer un système basé sur une porte, vous avez besoin d'un code permettant de protéger ces informations quantiques fragiles. Son équipe a créé un système à 4 bits, avec des bits appelés "transmons" qui peuvent conserver une partie de l'information quantique pendant une période plus longue et avec le code de correction d'erreur, créer un calcul quantique basé sur la porte. Il a dit que cela ressemblait à un réseau carré où les qubits sont aux sommets du papier millimétré; un algorithme superpose alors ce code sur les qubits. L'objectif d'IBM est de pouvoir ajouter de plus en plus de qubits à cet algorithme. Il a dit bientôt qu'il pourrait peut-être conserver l'état quantique indéfiniment.

Il a expliqué comment les portes quantiques utilisent un enchevêtrement sur tous les qubits et examinent tous les états potentiels, en le comparant au modèle d'interférence que vous voyez lorsque vous lâchez beaucoup de pierres dans un étang et obtenez une interférence constructive et destructive. La meilleure réponse sera interférée de manière constructive, a-t-il déclaré, et cette réponse sera la seule réponse à laquelle vous vous retrouverez, s'il n'y a qu'une seule réponse au problème. Dans un ordinateur quantique basé sur une porte, a-t-il déclaré, vous pouvez utiliser l'interférence dans ce codage pour obtenir une réponse à la fin du processus, ce qui devrait être accéléré de manière exponentielle pour certains algorithmes.

Bien que cela puisse être encore loin, Ritter a déclaré que les gens envisageaient également d'utiliser les qubits pour exécuter des simulations analogiques avec une cohérence élevée, telles que la simulation de diverses molécules. Jacobs était d'accord sur la simulation quantique et parlait de simulations chimiques de molécules stables pour trouver des médicaments.

J'ai posé des questions sur l'algorithme de Shor, qui suggère qu'avec un ordinateur quantique, vous pourriez casser une bonne partie de la cryptographie conventionnelle. Jacobs a utilisé l'analogie d'une fusée essayant d'envoyer des astronautes sur la lune. Jacobs a expliqué que l'algorithme qui exécute le problème que nous essayons de résoudre, tel que l'algorithme de Shor, est similaire au module de commande du vaisseau spatial et que la correction d'erreur, telle que celle sur laquelle l'équipe de Ritter travaille, ressemble aux étapes. de la fusée. Mais, a-t-il dit, les types de moteurs à carburant ou à moteur de fusée que nous avons actuellement ne sont pas suffisants pour un vaisseau de taille quelconque. Il a dit que c’était une question très délicate et que tous les frais généraux associés aux calculs quantiques et à la correction d’erreur signifiaient que nombre des algorithmes qui semblaient vraiment prometteurs aujourd’hui pourraient ne pas aboutir. Brownell a déclaré qu'il pensait que nous aurions une décennie ou plus avant que les ordinateurs quantiques puissent casser le cryptage RSA et nous devrons passer à la cryptographie post-quantique.

Brownell a souligné que le modèle à grille de l'informatique quantique est très différent de l'annelage quantique et a expliqué à quel point il est utile de résoudre certains problèmes d'optimisation aujourd'hui. Il a également déclaré que cela pouvait presque résoudre des problèmes qui étaient hors de portée des ordinateurs classiques. Google a constaté que, sur certains points de repère, la machine D-Wave pourrait résoudre les problèmes quelque part entre 30 et 100 000 fois plus rapidement qu’un algorithme généraliste ne le pourrait aujourd’hui. Bien que cet algorithme ne soit pas utile, il a déclaré que son équipe se concentrait sur des algorithmes de cas d'utilisation pouvant tirer parti de cette capacité, le processeur évoluant en performance tous les 12 à 18 mois.

Brownell a comparé l'informatique quantique aujourd'hui à Intel en 1974, avec le lancement du premier microprocesseur. Il était chez Digital Equipment Corp. à ce moment-là et a déclaré qu’à l’époque "nous n’étions pas particulièrement inquiets pour Intel, car ils disposaient de ces petits microprocesseurs bon marché qui étaient loin d’être aussi puissants que ces grandes boîtes et tout ce que nous avions." Mais en l'espace de dix ans, vous savez, les affaires ont complètement disparu et Digital a cessé ses activités. " Il a déclaré que, même s'il ne pensait pas que l'informatique quantique menacerait le monde informatique classique dans son ensemble, il s'attend à voir ces améliorations incrémentielles des processeurs tous les 18 mois, à un point tel qu'il deviendra une capacité nécessaire pour les responsables informatiques. et les développeurs à utiliser.

En particulier, a-t-il déclaré, D-Wave a mis au point conjointement des algorithmes d'apprentissage probabilistes, dont certains dans le domaine de l'apprentissage en profondeur, qui permettent de mieux reconnaître les choses et de former que ne le sont les technologies sans l'informatique quantique. Finalement, il y voit une ressource dans le nuage qui sera utilisée en complément des ordinateurs classiques.

Ritter a déclaré qu'il était difficile de vraiment comparer les méthodes quantiques aux machines classiques exécutant des calculs à usage général, car les utilisateurs fabriquent des accélérateurs et utilisent des GPU et des FPGA conçus pour des tâches spécifiques. Il a déclaré que si vous conceviez un ASIC spécifique à votre problème, l'informatique quantique réelle avec une accélération réelle devrait surpasser toutes les exigences, car chaque qubit ajouté ajoute un double de cet espace de configuration. En d'autres termes, la mise en place de milliers de qubits devrait augmenter l'espace de 2x1000 ^ème puissance, ce qui, a-t-il noté, est supérieur au nombre d'atomes dans l'univers. Et, a-t-il dit, avec un ordinateur à porte, le problème est que les portes fonctionnent plus lentement que votre téléphone portable. Vous avez donc plus d'opérations en même temps, mais chaque opération est plus lente que sur un ordinateur classique. "C'est pourquoi vous devez créer une machine plus grosse avant de voir ce croisement", a-t-il déclaré.

Jacobs a souligné combien l'informatique quantique pourrait être beaucoup plus efficace. "Si vous envisagez la puissance nécessaire pour utiliser les meilleurs super-ordinateurs super verts du monde, si vous souhaitez effectuer une simulation à 65 qubits, cela nécessiterait environ une centrale nucléaire", a-t-il déclaré. "Et si vous vouliez pour faire cela, il faudrait deux centrales nucléaires."

Brownell a déclaré qu'avec plus de 1 000 qubits, la machine D-Wave actuelle pourrait théoriquement gérer des modèles allant du 2 au 1 000 ^e équivalent à 10 au 300 ^e. (À titre de comparaison, les scientifiques estiment qu'il n'y a que 10 à 80 atomes environ dans l'univers.) Les limites de performances informatiques ne sont donc pas dues aux limitations du recuit quantique, mais plutôt aux limitations du / O fonctions, un problème d’ingénierie abordé à chaque nouvelle génération. Selon certains des algorithmes de référence, la machine de 1152 qubits de la société devrait être 600 fois plus puissante que ce que les ordinateurs classiques peuvent faire de mieux.

L'architecture de D-Wave, qui utilise une matrice de qubits avec des couplages qui ressemblent en quelque sorte à un réseau de neurones, a été appliquée pour la première fois aux réseaux de neurones d'apprentissage en profondeur en apprentissage automatique.

Mais il a également parlé d'autres applications, telles que l'exécution de l'équivalent des simulations de Monte Carlo, ce qu'il faisait auparavant chez Goldman Sachs (où il était CIO) pour les calculs de valeur-risque. Il se souvenait d'avoir pris environ un million de cœurs et de devoir fonctionner pendant la nuit. Théoriquement, un ordinateur quantique pourrait faire la même chose avec beaucoup moins d’énergie. Il a dit que la machine D-Wave utilise très peu, mais doit fonctionner dans un grand réfrigérateur qui maintient des températures très basses (environ 8 milikelvin), mais que la machine elle-même ne nécessite que 15 à 20 kW pour fonctionner, ce qui est assez petit pour un centre de données.

Ritter a évoqué une idée similaire pour le modèle à base de grille et a discuté de l'échantillonnage de métropole quantique, l'équivalent du Monte Carlo quantique, mais avec des statistiques différentes en raison des propriétés d'enchevêtrement.

L'équipe de Ritter travaille sur la simulation analogique quantique, où elle peut calculer et mapper une conception moléculaire en une connexion de qubits et lui permettre de résoudre les modes idéaux et tous les comportements d'une molécule, ce qui, dit-il, est très difficile une fois que vous obtenez environ 50 électrons..

Jacobs a parlé de la cryptographie quantique, qui implique une clé générée de manière à prouver que personne n’écoute la transmission. Ritter a déclaré que Charlie Bennett d’IBM avait théorisé une technique pour "téléporter" le qubit sur le lien dans un autre qubit de la machine, mais qu’il pensait que de telles techniques avaient déjà pris plusieurs années.

Jacobs a souligné les différences entre l'informatique à porte quantique et le recuit quantique, en particulier dans les domaines de la correction d'erreur, et a noté qu'il existe une autre méthode également appelée calcul quantique topologique sur laquelle Microsoft travaille.

Un défi intéressant est d’écrire des applications pour de telles machines, ce que Ritter a décrit comme envoyant des sons à une fréquence spécifique qui fait résonner les différents qubits et interagir dans le temps, ce qui entraîne le calcul "presque comme une partition musicale". Il a noté qu'il existe des langages de niveau supérieur, mais que beaucoup de travail nécessite encore un théoricien. Jacobs a noté qu'il existe différents niveaux de langages quantiques open source, tels que QASM et Quipper, tous deux largement axés sur le modèle à porte quantique. Brownell a noté qu'il n'y avait pas eu autant d'activités sur le recuit quantique, parce que le sujet était plus controversé jusqu'à récemment, et que D-Wave a dû faire beaucoup de travail lui-même et qu'il travaille à faire passer les langues à des niveaux plus élevés. Au cours des cinq prochaines années, il espère qu’il sera aussi facile à utiliser qu’un GPU ou un autre type de ressource classique.