Le prochain grand saut quantique peut nécessiter un meilleur logiciel

Les ordinateurs quantiques semblent certainement être des appareils étranges. Pour les humains habitués à vivre dans un monde régi par la physique newtonienne, faire plonger un appareil dans le monde de la physique quantique où les règles sont différentes et parfois même contre-intuitives peut sembler inexplicable. Et lorsque ces mêmes appareils résolvent réellement des problèmes complexes et fournissent des réponses, cela commence presque à frôler la magie.

Il n’y a pas si longtemps, il y avait encore des scientifiques qui pensaient que l’informatique quantique était un canular. Les machines quantiques sont conçues pour fonctionner profondément à l’intérieur de boîtes noires et doivent fonctionner dans un vide totalement sombre à des températures proches du zéro absolu. Vous ne pouvez donc pas les regarder pendant qu’ils fonctionnent. Ils doivent être conçus de cette façon, car leur puissance de calcul est liée à la mise des atomes ou des électrons dans un état appelé superposition, qui est incroyablement fragile. Presque tout peut éliminer cette propriété et emprisonner les atomes dans leur état d’être normal et unique qui constitue notre réalité basée sur la physique newtonienne. Des faisceaux de lumière, de chaleur, des ondes sonores, de légères vibrations, des molécules d’air ou même des radiations peuvent dévaster la superposition dans un processus appelé décohérence.

De nos jours, très peu de gens doutent de l’existence des ordinateurs quantiques. En 2019, Google, en partenariat avec la NASA, a atteint la suprématie quantique en concevant une machine quantique qui pourrait résoudre un problème qui aurait pris des milliers d’années à un supercalculateur traditionnel. Cette étape importante place les États-Unis bien en avance sur les autres pays dans la course à la création d’ordinateurs quantiques puissants et plus utiles.

Dans ce pays, la plupart des travaux sur les ordinateurs quantiques sont entrepris par des entreprises privées et des universités fortement soutenues par le gouvernement. Cela contraste avec la plupart des autres nations rivales comme la Chine et la Russie, qui investissent des milliards directement dans les laboratoires gouvernementaux. Notre approche semble mieux fonctionner. Un récent rapport commandé par le ministère de la Défense et réalisé par la RAND Corporation montre que les États-Unis sont en tête du monde dans la plupart des domaines clés de l’informatique quantique.

La plupart des développements réalisés jusqu’à présent dans le monde de l’informatique quantique sont dus à des améliorations du matériel. Les ordinateurs quantiques utilisent des qubits, qui ressemblent un peu aux bits binaires des ordinateurs numériques traditionnels. Ils sont puissants car un dispositif quantique est conçu pour laisser le qubit, qui peut être quelque chose comme un photon polarisé ou le spin d’un électron, exister dans plusieurs états en même temps. Au lieu d’un bit d’ordinateur numérique qui représente un un ou un zéro, les qubits peuvent être les deux en même temps, plus tout ce qui se trouve entre les deux. Et avoir plus de qubits équivaut jusqu’à présent à plus de puissance de calcul.

L’ordinateur quantique de Google qui a atteint la suprématie avait 53 qubits. IBM a récemment annoncé un ordinateur quantique avec 127 qubits qui serait le plus grand au monde, bien que D-Wave travaille sur une nouvelle machine avec des milliers de qubits. Il existe une certaine divergence dans les chiffres en raison des manières très différentes dont les entreprises peuvent créer des qubits, mais fondamentalement, plus de qubits signifie plus de puissance.

Matériel de réparation de logiciel

Cependant, bien que l’ajout de plus de qubits donne certainement plus de puissance, cela ne compense pas les problèmes inhérents aux ordinateurs quantiques, l’un des plus importants étant qu’ils sont très sujets aux erreurs. Ou, plus précisément, ils sont difficiles à comprendre et à programmer afin qu’aucune erreur ne se produise dans leur sortie. Tous les ordinateurs quantiques génèrent du bruit dans une certaine mesure. Ils peuvent renvoyer une réponse correcte à une question, mais ils renverront également beaucoup de bric-à-brac inutile, avec la solution réelle mélangée à cela. Ensuite, il s’agit d’essayer de séparer une aiguille d’une botte de foin, ou même une aiguille d’une pile d’autres aiguilles. Pour cette raison, l’ajout de plus de qubits peut ne pas améliorer la situation.

Il a été suggéré que l’intelligence artificielle fonctionnant sur des ordinateurs traditionnels pourrait être utilisée pour analyser les réponses renvoyées par les machines quantiques. Cela pourrait faciliter l’élimination du bruit plus rapidement que d’essayer de le faire à la main, mais ne résout pas le problème fondamental des réponses inexactes provenant des machines quantiques.

Au lieu d’ajouter plus de qubits, la solution à ce problème pourrait en fait être basée sur un logiciel, permettant aux programmeurs de poser de meilleures questions afin que le bruit soit réduit ou éliminé dès le départ. L’une des raisons de toutes les erreurs est que les qubits peuvent s’emmêler. C’est un état où même si deux qubits sont physiquement séparés, les actions de l’un peuvent changer l’autre. Albert Einstein a décrit de manière amusante cette propriété comme une action effrayante à distance. Concrètement, si vous acceptez des données générées à partir d’un qubit, mais que vous ne savez pas qu’elles sont intriquées avec un autre, il y a de fortes chances que les données soient corrompues, mais vous ne le savez peut-être pas.

À l’heure actuelle, les scientifiques doivent essentiellement deviner comment les qubits sont enchevêtrés et essayer d’agir en conséquence. Donc, c’est comme essayer d’écrire un programme à exécuter sur une machine où les règles ne sont pas complètement connues et peuvent changer. Par conséquent, beaucoup de bruit est renvoyé avec les résultats, quelle que soit la taille de la machine quantique. Et des machines plus grosses pourraient aggraver le problème.

Pour tenter de compenser, des scientifiques et des chercheurs du Massachusetts Institute of Technology ont récemment dévoilé un nouveau langage de programmation appelé Twist lors de la conférence Symposium 2022 sur les principes de programmation à Philadelphie. À l’heure actuelle, il n’y a rien de tel que Twist. La plupart des programmeurs informatiques quantiques utilisent des langages d’assemblage, ou quelque chose comme eux, où ils doivent enchaîner un tas de processus sans bénéficier de beaucoup d’orchestration. Ils doivent deviner les enchevêtrements en fonction de leurs observations des données générées.

Twist est conçu pour aider les scientifiques à découvrir quels qubits de leurs machines s’emmêlent lorsqu’ils travaillent sur un problème, puis à prendre des mesures spécifiques, comme n’accepter que les données d’un qubit non enchevêtré. Le langage de Twist reflète d’autres langages de programmation courants et est conçu pour être facile à comprendre pour les codeurs expérimentés.

Notre langage Twist permet à un développeur d’écrire des programmes quantiques plus sûrs en indiquant explicitement quand un qubit ne doit pas être intriqué avec un autre, a déclaré Charles Yuan, doctorant au MIT, dans MIT News. Parce que comprendre les programmes quantiques nécessite de comprendre l’intrication, nous espérons que Twist ouvrira la voie à des langages qui rendent les défis uniques de l’informatique quantique plus accessibles aux programmeurs.

Dans le même article du MIT News sur le nouveau langage, Fred Chong, professeur Seymour Goodman d’informatique à l’Université de Chicago, explique pourquoi Twist et d’autres développements logiciels peuvent être tout aussi importants à long terme que de mettre de plus en plus de qubits en jeu.

Les ordinateurs quantiques sont sujets aux erreurs et difficiles à programmer. En introduisant et en raisonnant sur la pureté du code de programme, Twist fait un grand pas en avant pour faciliter la programmation quantique en garantissant que les bits quantiques d’un morceau de code pur ne peuvent pas être modifiés par des bits ne figurant pas dans ce code, a expliqué Chong.

Alors que le côté matériel des ordinateurs quantiques continue d’évoluer, de meilleurs logiciels peuvent être nécessaires pour aider à concentrer toute cette puissance brute et ce potentiel. Twist peut finalement sembler être un petit pas vers cet objectif, mais il s’agit sans aucun doute d’une importance cruciale.

John Breeden II est un journaliste et critique primé avec plus de 20 ans d’expérience dans le domaine de la technologie. Il est le PDG de la Bureau des rédacteurs techniques, un groupe qui crée du contenu de leadership éclairé technologique pour les organisations de toutes tailles. Twitter : @LabGuys