Nous suivre Industrie Techno

Pourquoi la troisième démonstration de l’avantage quantique est moins spectaculaire mais bien plus rigoureuse

Martin Clavey
Soyez le premier à réagir

Soyez le premier à réagir

Pourquoi la troisième démonstration de l’avantage quantique est moins spectaculaire mais bien plus rigoureuse

Très complexe, l'ordinateur quantique photonique utilisé par l'équipe chinoise de Chao-Yang Lu pour démontrer l'avantage quantique a un grand potentiel. Mais la démonstration réalisée est critiquable.

© Hansen Zhong

Une équipe de recherche incluant des chercheurs du CNRS a publié le 8 février dans Nature Communications une démonstration expérimentale de la supériorité du calcul quantique sur le calcul classique. Moins spectaculaire que celles de Google et de l’équipe chinoise de Chao-Yang Lu, cette démonstration est bien plus rigoureuse. Explications d’Eleni Diamanti, chercheuse CNRS co-autrice de ces travaux.

La troisième fois sera-t-elle la bonne ? Après Google et, plus récemment, une équipe chinoise, c’est un groupe de chercheurs du CNRS, de l’université d’Édimbourg et de la startup QC Ware qui revendique dans un article publié le 8 février dernier dans la revue Nature Communications avoir démontré l’avantage quantique. Le calcul que l’équipe a réalisé sur un dispositif photonique a pris quelques minutes. Il prendrait l’équivalent de l’âge de l’univers sur une machine classique, ont montré les chercheurs.

Cette démonstration expérimentale de la supériorité du calcul quantique sur le calcul classique se veut la plus rigoureuse à ce jour. En outre, elle repose sur un dispositif expérimental relativement simple. Cela la rend peut-être moins spectaculaire que les deux précédentes qui représentaient des triomphes d’ingénierie, mais cette modestie rend le protocole établi par les chercheurs reproductible dans tout laboratoire de photonique.

Des limites aux démonstrations précédentes

En 2019, Google avait mis en œuvre une impressionnante puce de 53 qubits supraconducteurs pour prouver la suprématie quantique, renommée plus humblement avantage quantique ces derniers temps. Fin décembre 2020, l’équipe chinoise de Chao-Yang Lu a publié une démonstration de l’avantage quantique utilisant un dispositif photonique extrêmement complexe.

Le problème de ces deux démonstrations, qui comparent les performances de machines classiques et quantiques sur des tâches de nature similaire (échantillonnage gaussien de bosons ou Gaussian Boson Sampling pour Chao-Yang Lu et échantillonnage de circuits quantiques aléatoires ou random circuit sampling pour Google) est double.

Tout d’abord, l’évaluation des ressources classiques nécessaires à la réalisation de ces tâches est sujette à caution. Google estimait qu’il fallait 10 000 ans à un supercalculateur pour égaler sa puce. IBM a montré peu après que deux jours pouvaient suffire. Il s’avère que les imperfections d’une puce quantique comme celle de Google la rendent beaucoup moins coûteuse à simuler par une machine classique que ne l’est une puce quantique parfaite.

Deuxièmement, selon Eleni Diamanti, directrice de recherches au CNRS et coautrice de l’article, « le problème des protocoles mis en place par Google et par l’équipe de Chao-Yang Lu est aussi que l’on ne peut pas vérifier que l’ordinateur a fait correctement le calcul ».

Approche plus modeste avec un calculateur plus limité

Il ne s’agit pas pour autant de minimiser la portée de ces travaux, insiste la chercheuse. L’opération de la puce Sycamore de Google reste une superbe réalisation d’ingénierie et le travail de l’équipe de Shanghai est un tour de force technologique témoignant de l'avancée très rapide des recherches sur le hardware quantique du côté des qubits photoniques.

Eleni Diamanti et ses co-auteurs ont privilégié une approche plus modeste, qui ne cherche pas à créer un calculateur quantique versatile, et encore moins universel. Ils se sont attachés dans ce cadre à établir un protocole qui évite les deux écueils des travaux précédents pour permettre une comparaison rigoureuse de machines classiques et quantiques.

Vérification d’une solution à un problème NP-complet

Le protocole qui a été mis en place par cette équipe est un test interactif qui demande, à travers un réseau, la vérification de la solution d’un problème d’optimisation complexe de type NP-complet sans avoir à communiquer toute la solution.

« Imaginons, explique Eleni Diamanti, qu’un fournisseur affirme à un de ses clients qu’il connaît la solution à son problème. L'utilisateur aimerait vérifier l’exactitude de la solution mais le fournisseur ne veut pas donner toute la solution par souci de confidentialité. L'avantage quantique tient dans la possibilité de faire cette vérification sans avoir toute la solution. »

Réponse vérifiable et complexité démontrable

Un des avantages de ce problème est que sa réponse est connue – la solution est exacte ou elle ne l’est pas. Autrement dit, le calcul de la machine quantique peut être vérifié, à la différence des tâches d’échantillonnage statistique. L’autre avantage, majeur, est que la quantité de ressources classiques nécessaires à sa résolution peut être évaluée rigoureusement.

Modeste, la chercheuse précise : « Nous nous sommes aussi basés, bien sûr, sur les résultats d'autres chercheurs, par exemple, un article d’il y a plus de dix ans de Scott Aaronson, passé un peu inaperçu, qui mettait en avant la possibilité de démontrer l’avantage quantique à travers un problème de vérification avec une information limitée. »

Percée dans l’encodage de l’information

Et de poursuivre : « Nous avions montré dans un précédent article que la démonstration d’Aaronson était théoriquement réalisable avec des systèmes photoniques mais cela demandait de générer quelques centaines de photons uniques intriqués à faire passer dans un interféromètre complexe, ce qui est encore inaccessible. »

La percée qui a permis la démonstration actuelle a consisté à mettre au point un protocole expérimental moins coûteux pour encoder et envoyer d’un nœud du réseau à un autre les informations partielles sur la solution à vérifier.

« Nous avons finalement trouvé une méthode expérimentale pour ne plus avoir besoin de centaines de photons uniques en les remplaçant par une suite temporelle d’états quantiques en utilisant les photons distribués dans les impulsions d’un laser. Cette solution beaucoup plus accessible nous permet d’arriver au régime de l’avantage quantique », précise Eleni Diamanti.

Si le type de calcul utilisé par Eleni Diamanti et ses co-auteurs pour prouver l’avantage quantique est bien loin de correspondre à une « killer app » comme le souligne spontanément Eleni Diamanti, il pourrait cependant avoir une utilité pour certaines applications. Par exemple les communications client-serveur quantiques, les systèmes d’authentification sécurisés et la comparaison de séries de données. Un atout de plus comparé aux tâches d’échantillonnage qui ne semblent avoir aucune utilité pratique.

Bienvenue !

Vous êtes désormais inscrits. Vous recevrez prochainement notre newsletter hebdomadaire Industrie & Technologies

Nous vous recommandons

"La France a l'opportunité de faire naître des leaders mondiaux du quantique", affirme Christophe Jurczak, le cofondateur de Quantonation

Dossiers

"La France a l'opportunité de faire naître des leaders mondiaux du quantique", affirme Christophe Jurczak, le cofondateur de Quantonation

Les pépites françaises pourraient bientôt rivaliser avec les plus grands noms du calcul quantique, estime Christophe Jurczak, le[…]

Plan cybersécurité : « C'est un très bon début mais il nous reste du chemin à faire pour répondre au secteur industriel», estime Jean-Noël de Galzain d'Hexatrust

Plan cybersécurité : « C'est un très bon début mais il nous reste du chemin à faire pour répondre au secteur industriel», estime Jean-Noël de Galzain d'Hexatrust

« Il faut former beaucoup plus sur les risques de cyberattaques » lance Marc-Oliver Pahl, chercheur à l’IMT Atlantique

« Il faut former beaucoup plus sur les risques de cyberattaques » lance Marc-Oliver Pahl, chercheur à l’IMT Atlantique

Calcul quantique : Les grands industriels font leurs gammes dans la programmation

Calcul quantique : Les grands industriels font leurs gammes dans la programmation

Plus d'articles