C’est un monde quantique bizarre et bizarre

En 1994, comme le raconte le professeur Peter Shor PhD 85, les séminaires internes chez AT&T Bell Labs étaient des affaires animées. Le public de physiciens était un groupe actif et curieux, bombardant souvent les orateurs de questions tout au long de leurs exposés. Shor, qui travaillait aux Bell Labs à l’époque, se souvient de plusieurs occasions où un orateur n’a pas pu dépasser sa troisième diapositive, alors qu’il tentait de répondre à une série de questions rapides avant la fin de son temps.

Cette année-là, lorsque Shor a présenté à son tour un algorithme qu’il venait de mettre au point, les physiciens ont prêté une attention particulière à tout le discours de Shor, puis à d’autres.

Le mien s’est plutôt bien passé, a-t-il déclaré hier à un public du MIT.

Lors de ce séminaire de 1994, Shor a présenté une preuve qui montrait comment un système quantique pouvait être appliqué pour résoudre un problème particulier plus rapidement qu’un ordinateur classique. Ce problème, connu sous le nom de problème du logarithme discret, était connu pour être insoluble par des moyens classiques. En tant que tels, les logarithmes discrets avaient été utilisés comme base pour une poignée de systèmes de sécurité à l’époque.

Les travaux de Shors ont été les premiers à montrer qu’un ordinateur quantique pouvait résoudre un problème réel et pratique. Son discours a mis le séminaire en effervescence, et la nouvelle s’est répandue, puis s’est confondue. Quatre jours après son discours initial, les physiciens de tout le pays supposaient que Shor avait résolu un problème connexe, bien que beaucoup plus épineux : la factorisation première, le défi de trouver un très grand nombre deux facteurs premiers. Bien que certains systèmes de sécurité utilisent des logarithmes discrets, la plupart des schémas de cryptage actuels sont basés sur la factorisation en nombres premiers et sur l’hypothèse qu’il est impossible de déchiffrer.

C’était comme le jeu du téléphone pour enfants, où la rumeur s’est répandue que j’avais compris l’affacturage, dit Shor. Et dans les quatre jours depuis [the talk]J’avais!

En peaufinant son problème initial, Shor a trouvé une solution quantique similaire pour la factorisation en nombres premiers. Sa solution, connue aujourd’hui sous le nom d’algorithme de Shors, a montré comment un ordinateur quantique pouvait factoriser de très grands nombres. L’informatique quantique, autrefois considérée comme une expérience de pensée, a soudainement eu dans l’algorithme de Shors un manuel d’instructions pour une application très réelle et potentiellement perturbatrice. Son travail a simultanément déclenché plusieurs nouvelles lignes de recherche en informatique quantique, en sciences de l’information et en cryptographie.

Le reste appartient à l’histoire, dont Shor a raconté les faits saillants à un public debout uniquement dans le Huntington Hall du MIT, salle 10-250. Shor, qui est professeur Morss de mathématiques appliquées au MIT, s’est exprimé en tant que récipiendaire cette année du James R. Killian, Jr. Faculty Achievement Award, qui est la plus haute distinction que le corps professoral de l’Institut puisse décerner à l’un de ses membres chaque année universitaire.

En introduisant le discours de Shors, Lily Tsai, présidente de la faculté, a cité la citation du prix :

Sans exception, les professeurs qui l’ont nommé ont tous commenté sa vision, son génie et sa maîtrise technique, et l’ont félicité pour l’éclat de son travail, a déclaré Tsai. Les travaux du professeur Shors démontrent que les ordinateurs quantiques ont le potentiel d’ouvrir de nouvelles voies à la pensée et à l’effort humains.

Une histoire quantique

Au cours de la conférence d’une heure, Shor a présenté au public une brève histoire de l’informatique quantique, émaillant la conversation de souvenirs personnels de son propre rôle. L’histoire, a-t-il dit, commence dans les années 1930 avec la découverte de la mécanique quantique, le comportement physique de la matière aux plus petites échelles subatomiques et la question qui a rapidement suivi : pourquoi le quantum était-il si étrange ?

Les physiciens se sont attaqués à la nouvelle description du monde physique, si différente de la mécanique newtonienne classique comprise depuis des siècles. Shor dit que le physicien Erwin Schrdinger a tenté d’illustrer l’absurdité de la nouvelle théorie avec son expérience de pensée désormais célèbre impliquant un chat dans une boîte : Comment peut-il incarner à la fois les états mort et vivant ? L’exercice a remis en question l’idée de superposition, une propriété clé de la mécanique quantique qui prédit qu’un bit quantique tel qu’un atome devrait contenir plus d’un état simultanément.

Plus effrayant encore était la prédiction de l’intrication, qui postulait que deux atomes pouvaient être inextricablement liés. Toute modification apportée à l’un devrait alors affecter l’autre, quelle que soit la distance qui les sépare.

Personne n’a envisagé d’utiliser cette étrangeté pour le stockage d’informations, jusqu’à Wiesner, a déclaré Shor.

Wiesner était Stephen Wiesner, qui à la fin des années 1960 était un étudiant diplômé à l’Université de Columbia qui a ensuite été reconnu pour avoir formulé certains des principes de base de la théorie de l’information quantique. La contribution clé de Wiesner était un article initialement rejeté. Il avait proposé un moyen de créer de l’argent quantique, ou une monnaie résistante à la falsification, en exploitant une étrange propriété dans laquelle les états quantiques ne peuvent pas être parfaitement dupliqués, une prédiction connue sous le nom de théorème de non-clonage.

Comme Shor s’en souvient, Wiesner a écrit son idée sur une machine à écrire, l’a envoyée pour examen par ses pairs et a été catégoriquement rejetée. Ce n’est qu’après qu’un autre physicien, Charles Bennett, a trouvé l’article, l’a sorti d’un tiroir et l’a fait publier, consolidant ainsi le rôle de Wiesner dans l’histoire de l’informatique quantique. Bennett est allé plus loin, réalisant que l’idée de base de l’argent quantique pouvait être appliquée pour développer un schéma de distribution de clé quantique, dans lequel la sécurité d’une information, telle qu’une clé privée transmise entre les parties, est protégée par une autre propriété quantique étrange. .

Bennett a élaboré l’idée avec Gilles Brassard en 1984. L’algorithme BB84 a été le premier protocole pour un système crypto qui reposait entièrement sur les phénomènes étranges de la physique quantique. Dans les années 1980, Bennett est venu aux Bell Labs pour présenter BB84. C’était la première fois que Shors entendait parler d’informatique quantique, et il était devenu accro.

Shor a d’abord essayé de trouver une réponse à une question que Bennett a posée au public : comment prouver mathématiquement que le protocole est effectivement sûr ? Le problème, cependant, était trop épineux et Shor abandonna la question, mais pas le sujet. Il a suivi les efforts de ses collègues dans le domaine en plein essor de la science de l’information quantique, atterrissant finalement sur un article du physicien Daniel Simon, qui proposait quelque chose de vraiment étrange : qu’un système de bits informatiques quantiques pourrait résoudre un problème particulier de manière exponentielle plus rapide qu’un ordinateur classique. .

Le problème lui-même, tel que Simon l’a posé, était ésotérique et son article, comme Wiesners, a d’abord été rejeté. Mais Shor a vu quelque chose dans sa structure spécifiquement, que le problème était lié aux problèmes beaucoup plus concrets des logarithmes discrets et de la factorisation. Il a travaillé à partir du point de départ de Simons pour voir si un système quantique pouvait résoudre des logarithmes discrets plus rapidement qu’un système classique. Ses premières tentatives ont été un match nul. L’algorithme quantique a résolu un problème aussi rapidement que son homologue classique. Mais il y avait des indices qu’il pourrait faire mieux.

Il y a encore de l’espoir à essayer, se souvient Shor.

Quand il l’a fait, il a présenté son algorithme pour un algorithme de log discret quantique lors du symposium de 1994 aux Bell Labs. Au cours des quatre jours qui ont suivi sa conférence, il a également réussi à élaborer son algorithme de factorisation premier éponyme.

L’accueil a été écrasant mais aussi sceptique, car les physiciens supposaient qu’un ordinateur quantique pratique s’effondrerait instantanément au moindre bruit, entraînant une cascade d’erreurs dans son calcul de factorisation.

Je m’inquiétais de ce problème, dit Shor.

Alors, il s’est de nouveau mis au travail, cherchant un moyen de corriger les erreurs dans un système quantique sans perturber l’état des bits quantiques de calcul. Il a trouvé une réponse par la concaténation, qui fait largement référence à une série d’événements interconnectés. Dans son cas, Shor a trouvé un moyen de relier les qubits et de stocker les informations d’un qubit logique ou informatique parmi neuf qubits physiques hautement intriqués. De cette façon, toute erreur dans le qubit logique peut être mesurée et corrigée dans les qubits physiques, sans avoir à mesurer (et donc détruire) le qubit impliqué dans le calcul réel.

Le nouvel algorithme de Shors a été le premier code de correction d’erreur quantique qui a prouvé qu’un ordinateur quantique pouvait être tolérant aux défauts, et donc une possibilité très réelle.

Le monde de la mécanique quantique n’est pas le monde de votre intuition, a déclaré Shor en terminant ses remarques. La mécanique quantique est la façon dont le monde est vraiment.

L’avenir quantique

Après son discours, Shor a répondu à plusieurs questions du public, dont une qui suscite aujourd’hui un énorme effort dans la science de l’information quantique : quand verrons-nous un véritable ordinateur quantique pratique ?

Pour factoriser un grand nombre, Shor estime qu’un système quantique nécessiterait au moins 1 000 qubits. Pour prendre en compte les très grands nombres qui sous-tendent les systèmes Internet et de sécurité d’aujourd’hui, il faudrait des millions de qubits.

Cela va prendre tout un tas d’années, a déclaré Shor. Nous ne fabriquerons peut-être jamais d’ordinateur quantique, mais si quelqu’un a une idée géniale, nous pourrions peut-être en voir une dans 10 ans.

Dans l’intervalle, il a noté que, comme les travaux sur l’informatique quantique ont explosé ces dernières années, les travaux sur la cryptographie post-quantique et les efforts pour développer des systèmes cryptographiques alternatifs sécurisés contre le craquage de code quantique ont également augmenté. Shor compare ces efforts à la bousculade menant à l’an 2000 et à la perspective d’une catastrophe numérique au tournant du siècle dernier.

Vous auriez probablement dû commencer il y a des années, a déclaré Shor. Si vous attendez la dernière minute, lorsque ses ordinateurs quantiques clairs seront construits, vous arriverez probablement trop tard.

Shor a obtenu son doctorat du MIT en 1985 et a ensuite effectué un post-doctorat au Mathematical Sciences Research Institute de Berkeley, en Californie. Il a ensuite passé plusieurs années à AT&T Bell Labs, puis à AT&T Shannon Labs, avant de retourner au MIT en tant que professeur titulaire en 2003.

Les contributions de Shors ont été reconnues par de nombreux prix, dont le plus récent avec le Breakthrough Prize in Fundamental Physics 2023, qu’il a partagé avec Bennett, Brassard et le physicien David Deutsch. Ses autres distinctions incluent la bourse MacArthur, le prix Nevanlinna (maintenant la médaille IMU Abacus), la médaille Dirac, le prix international King Faisal en sciences et le prix BBVA Foundation Frontiers of Knowledge. Shor est membre de l’Académie nationale des sciences et de l’Académie américaine des arts et des sciences. Il est également membre de l’American Mathematical Society et de l’Association for Computing Machinery.