Un physicien de la division NUWC de Newport fait progresser l’informatique quantique dans les centres de guerre

NEWPORT, RI –

L’informatique quantique a le potentiel d’améliorer de manière exponentielle le fonctionnement de la marine américaine. Les possibilités incluent un temps de traitement amélioré qui ferait progresser rapidement les efforts d’apprentissage automatique et d’autonomie, la suppression du bruit optimiserait la détection et les méthodes de cryptage deviendraient pratiquement impénétrables.

Ce domaine passionnant est actif depuis plus de 50 ans, mais une grande partie des avantages de l’informatique quantique restent au stade théorique. Les efforts de la Marine pour exploiter les avantages de l’informatique quantique se poursuivent dans les centres de guerre spécialisés dans la recherche et le développement.

De petites équipes du Naval Information Warfare Center Pacific (NIWCPAC) et du Naval Surface Warfare Center (NSWC) Dahlgren ont effectué des recherches sur l’informatique quantique et développé des algorithmes tandis qu’à la Division Newport du Naval Undersea Warfare Center (NUWC), le physicien Mike Warnock sert de chercheur quantique. personne responsable de la recherche.

Warnock consacre la moitié de son temps au modèle d’éléments finis de choc transitoire pour le département d’intégration des plates-formes et des charges utiles, et l’autre moitié à la recherche quantique, tout en obtenant son doctorat en physique à l’Université Brown. Après avoir obtenu un baccalauréat ès sciences en physique et mathématiques de Virginia Tech, Warnock a commencé à travailler à la division Newport dans la division de référence sonore sous-marine du département des capteurs et des systèmes sonar, travaillant sur des transducteurs sous-marins.

« Presque dès mes débuts au NUWC, j’ai commencé ma maîtrise en physique à l’Université Brown », a déclaré Warnock. « Entre 2015 et 2019, j’ai complété mon master et lorsque j’ai obtenu mon diplôme, j’ai également fini par passer au département d’intégration des plateformes et des charges utiles pour effectuer le travail de modélisation informatique par éléments finis. Les travaux sur l’informatique quantique ont commencé en 2018 avec un petit financement de démarrage pour voir quel était l’état de la technologie.

Comme beaucoup d’étudiants de premier cycle en physique, Warnock s’intéressait énormément à la mécanique quantique et à la manière dont ce sujet fortement théorique pouvait être utilisé.

« Quand je suis arrivé au NUWC, je n’avais même pas pensé que je me rapprocherais de l’informatique quantique, alors lorsque moi-même et deux anciens collègues avons vu l’opportunité de travailler avec l’informatique quantique, j’ai naturellement sauté sur l’occasion pour cette raison. intérêt pour la mécanique quantique, la physique de la matière condensée et la nanotechnologie », a-t-il déclaré.

Efforts de la marine américaine

Les travaux d’informatique quantique effectués dans la Marine sont rares, bien que des efforts de recherche soient déployés au Laboratoire de recherche navale et auprès de sources de financement telles que l’Office of Naval Research. La Marine, dans son ensemble, a récemment commencé à investir davantage dans l’informatique quantique, a déclaré Warnock.

« Il y a des efforts d’informatique quantique au NSWC Dahlgren et au NIWCPAC qui durent depuis des années, mais la majorité des autres centres de guerre – y compris la division NUWC de Newport – n’ont pas eu de programmes d’informatique quantique aussi matures que l’un ou l’autre de ces deux. », a déclaré Warnock.

Cependant, grâce aux efforts de Warnock et de ses collègues, la Division Newport a commencé à être considérée comme un programme plus mature en termes de connaissance du domaine par rapport aux autres centres de guerre. NSWC Carderock et le laboratoire de recherche appliquée de la Pennsylvania State University (ARL-PSU) se tournent vers l’expertise de Warnock pour mener des efforts de collaboration.

Warnock collabore également avec une équipe des laboratoires Lincoln du Massachusetts Institute of Technology sur l’estimation des ressources quantiques pour les algorithmes résolvant des équations différentielles non linéaires. Il travaille également avec l’Université de Rhode Island dans le cadre du programme du National Institute for Undersea Vehicle Technology. Au cours de la dernière année, plusieurs collègues de la Division Newport ont contacté Warnock pour lui soumettre des propositions relatives à la cryptographie quantique/post-quantique.

« En fin de compte, j’espère me consacrer à plein temps au travail sur l’informatique quantique et l’étendre à l’ensemble du NUWC », a déclaré Warnock.

Quant aux applications de l’informatique quantique pour la Marine, Warnock a de nombreuses idées.

« Si nous disposions d’un grand ordinateur quantique parfait, insensible aux pannes, et de méthodes efficaces de chargement de données sur des systèmes quantiques, les applications seraient nombreuses », a-t-il déclaré. « Applications incluant la modélisation par éléments finis que j’effectue, l’apprentissage automatique, le traitement du signal, la cybersécurité, etc. Cependant, nous n’avons pas accès à un tel ordinateur quantique pour le moment. Un important effort de recherche au sein de la communauté a consisté à déterminer ce qui est possible sur les ordinateurs quantiques à court terme et je pense qu’il serait pertinent pour la Marine de poursuivre cette ligne de recherche. Je pense que la principale application de l’informatique quantique en particulier serait les algorithmes d’inspiration quantique dans le contexte des algorithmes d’optimisation et d’apprentissage automatique. La principale application pour la Marine dans tout domaine de recherche en science de l’information quantique serait la détection quantique.

À quel point la Marine est-elle encore loin de mettre en œuvre l’informatique quantique dans la flotte ?

« C’est une question délicate et difficile », a déclaré Warnock. « En théorie, l’informatique quantique peut être plus rapide que les ordinateurs classiques. En effet, quelques publications montrent explicitement l’avantage quantique, bien que ces applications soient très artificielles. Ensuite, il faut commencer à s’interroger sur des problèmes moins artificiels liés à la Marine et sur les problèmes particuliers d’un ordinateur quantique. Pour le moment, ces types de problèmes vont être trop importants pour tout ordinateur quantique moderne, conduisant à un horizon d’utilisation dans la flotte de l’ordre de 20 à 30 ans, en particulier pour ceux qui souhaitent disposer d’un ordinateur quantique sur une plateforme mobile. comme ce avec quoi nous travaillons ici au NUWC. Cependant, je ne crois pas que cet horizon soit une raison, en soi, pour que la Marine ne investisse pas dans les systèmes quantiques et ne renforce pas sa main-d’œuvre. Il existe de nombreuses applications dans le domaine de la détection quantique et de la communication qui, à mon avis, sont utiles aujourd’hui. Par exemple, un chercheur cherche à réaliser des tests expérimentaux en utilisant le radar et la communication quantique avec des drones. Il existe de nombreux exemples comme celui-ci où les chercheurs effectuent des expériences et des tests sur ces systèmes qui pourraient être utiles à la Marine à un horizon temporel beaucoup plus proche. De plus, cela vaut la peine de sortir des sentiers battus et de commencer à deviner comment les idées des systèmes quantiques peuvent être transposées dans les systèmes classiques. Deux exemples me viennent à l’esprit, comme les algorithmes d’inspiration quantique et les systèmes acoustiques topologiques.

Au niveau du Naval Sea Systems Command (NAVSEA), le Naval Quantum Computing Program Office a récemment été créé et Warnock est le représentant de la division Newport. Pour tous ceux de la Division Newport qui réfléchissent au type d’algorithmes quantiques qui pourraient être utilisés pour résoudre leur problème, Warnock peut fournir une réponse.

Systèmes quantiques topologiques

Pendant le temps qu’il consacre à la recherche quantique, Warnock est impliqué dans plusieurs projets différents, notamment la recherche sur les systèmes quantiques topologiques dans des domaines dépendants du temps.

« On peut se demander quel est le rapport avec l’informatique quantique », a-t-il déclaré. « Eh bien, le moyen le plus simple est d’imaginer qu’un atome soit pulsé par un laser plusieurs fois par seconde. En remplaçant l’atome par un qubit supraconducteur et le laser par une sorte de courant changeant, vous obtenez tout d’un coup la pierre angulaire d’un ordinateur quantique et une méthode pour appliquer des portes quantiques. Donc, essentiellement, un ordinateur quantique n’est qu’un système quantique avec un courant variable. Un autre élément technologique impliquant un courant variable serait la radio de votre voiture. Le courant varie de telle manière qu’une chanson est codée dans la forme d’onde qui est ensuite transmise de la tour radio à votre voiture, qui est ensuite décodée pour être écoutée. Par conséquent, essentiellement, j’ai étudié comment ces mêmes méthodes s’appliquent à un système quantique et il s’avère que vous pouvez obtenir des résultats physiques très intéressants, tels que les systèmes topologiques, en variant les domaines, où ces systèmes topologiques ont des applications allant de l’informatique et de la détection quantiques à photonique et systèmes acoustiques topologiques, et plus encore. Sans rapport avec cette recherche, je cherche à étendre l’utilisation d’algorithmes d’inspiration quantique/algorithmes quantiques pour des applications dans le traitement du signal et au-delà.

« L’informatique quantique topologique est l’informatique quantique parfaite », a déclaré Warnock. « Cet ordinateur est « robuste au bruit », ce qui signifie qu’il n’est pas sensible au bruit. L’informatique quantique topologique est plus robuste et capable de rester plus longtemps dans un état cohérent, ce qui la rend très utile pour les sonars.

Ressources

Au lieu d’un système informatique quantique de 10 millions de dollars, Warnock est en mesure de trouver des ressources en ligne pour l’aider dans ses recherches.

« Pour les domaines dépendants du temps, la plupart de mon travail est analytique avec quelques travaux numériques. Cependant, pour effectuer le travail que j’aimerais faire pour le traitement du signal et d’autres applications, il existe une tonne de ressources disponibles en ligne. Par exemple, le Qiskit d’IBM permet de construire des circuits quantiques et de les appliquer à des ordinateurs quantiques à court terme. D’autres exemples incluent Ocean de D-Wave et Cirq de Google. Au-delà de cela, il existe également de nombreuses ressources sur github », a déclaré Warnock.

En fait, les chercheurs de la Marine ont accès à l’ordinateur quantique de 54 qubits d’IBM. En décembre 2022, le LNR et les 14 centres de guerre ont signé un protocole d’accord avec la direction de l’information de l’Air Force Research Laboratory (AFRL) « pour établir un canal d’échange d’expertise technique et d’exploration de co-projets en mettant l’accent sur la création de systèmes quantiques utiles ». capacités informatiques pour le ministère de la Défense.

L’accord donne aux scientifiques et ingénieurs de la Marine l’accès aux systèmes informatiques quantiques avancés d’IBM, via le hub de l’AFRL dans le réseau IBM Quantum, offrant ainsi la possibilité d’explorer des ensembles de problèmes pertinents pour la Marine axés sur la recherche opérationnelle, l’apprentissage automatique quantique, la simulation quantique, la simulation classique et crypto-analyse. Les chercheurs n’ont qu’à payer la dérogation pour avoir accès à la machine d’IBM.

Défis à venir

Warnock souligne différents types de défis pour l’informatique quantique, certains techniques et d’autres plus sociaux.

« Premièrement, les défis techniques incluent les méthodes habituelles des meilleures façons de contrôler un système quantique, les petits ordinateurs quantiques, la meilleure façon de coder les problèmes et le type d’algorithmes le mieux adapté à un ordinateur quantique. Ce sont tous des domaines de recherche très actifs dans lesquels de nombreux grands esprits cherchent à résoudre ces problèmes », a-t-il déclaré. « Par exemple, de nombreux ordinateurs quantiques actuels reposent sur des qubits supraconducteurs et les interférences entre ces qubits et les contraintes physiques, telles que le refroidissement, rendent difficile l’augmentation du nombre de qubits par système, où le nombre maximum de qubits est de 433. qui est l’ordinateur quantique d’IBM, ou 5000, qui est le recuit quantique de D-Wave. Cependant, changer le type de qubit peut conduire à augmenter plus facilement le nombre de qubits. Par exemple, une entreprise cherche à utiliser des qubits basés sur des systèmes photoniques qui promettent environ un million de qubits. Des découvertes telles que le récent supraconducteur à température ambiante – si les résultats peuvent être reproduits – pourraient éviter les problèmes de refroidissement et permettre une augmentation du nombre de qubits supraconducteurs.

« En fin de compte, je pense que le plus grand défi est d’ordre social, en particulier dans un endroit comme NUWC où notre principal client est la flotte », a déclaré Warnock. « Nous voulons être en mesure de fournir une technologie nouvelle/supérieure à la flotte dans des délais raisonnables. Dans le même temps, nous souhaitons les accélérations de calcul promises par les ordinateurs quantiques, mais ces deux éléments ne correspondent pas nécessairement à ce stade. Être capable de socialiser cela, tout en communiquant qu’il est toujours important de poursuivre des recherches et des travaux dans le domaine de la science de l’information quantique, a facilement été le plus grand défi.

Le NUWC Newport est le centre de guerre le plus ancien du pays, dont l’héritage remonte à la station de torpilles navales établie sur Goat Island dans le port de Newport en 1869. Commandée par le capitaine Chad Hennings, le NUWC Newport maintient d’importants détachements à West Palm Beach, en Floride, et à Andros. Island aux Bahamas, ainsi que des installations d’essai à Seneca Lake et Fisher’s Island, New York, Leesburg, Floride, et Dodge Pond, Connecticut.

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