Un avantage quantique avec des circuits bruyants

Friday, July 17, 2020

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De nouvelles recherches montrent que les ordinateurs quantiques limités disponibles à court terme pourraient être plus puissants qu’il n’y paraît pour résoudre un problème insoluble à l’aide d’ordinateurs classiques comparables.

Une équipe réunissant des collaborateurs de l’Institut d’informatique quantique (IQC) de l’Université de Waterloo, d’IBM, de l’Université technique de Munich et de l’Université technologique de Sydney a élaboré un algorithme permettant de résoudre un problème avec un circuit quantique bruyant dont la profondeur est fixe, et qui doit donc résoudre le problème en un nombre maximal déterminé d’étapes.

« Nous nous intéressons aux circuits d’une profondeur fixe parce que, plus ils fonctionnent longtemps, plus les ordinateurs quantiques disponibles à court terme accumulent un grand nombre d’erreurs », déclare David Gosset, professeur à l’IQC ainsi qu’au Département de combinatoire et d’optimisation de la Faculté de mathématiques de l’Université de Waterloo. « Nous voulons donc étudier des modèles restreints de calcul quantique qui profitent le plus possible du caractère quantique en faisant le moins possible de calculs. » [traduction]

La correction des erreurs dues au bruit dans un circuit quantique exige normalement des étapes supplémentaires, ce qui fait perdre l’avantage quantique de la résolution de problèmes dans un laps de temps limité. L’algorithme mis au point par les chercheurs corrige les erreurs en même temps qu’il résout le problème, ce qui permet au circuit de conserver une profondeur fixe. Aucun algorithme classique ne permet de résoudre le même problème avec un circuit de profondeur fixe, même en l’absence de bruit. À mesure que la quantité de données en entrée augmente, le circuit classique doit croître de manière logarithmique.

C’est comme une piste de course automobile d’une longueur fixe, mais dont la pente augmente à mesure que la course progresse. Une voiture quantique — le nouvel algorithme des chercheurs — peut continuer d’avancer, même si elle doit éviter les nids-de-poule en chemin. Une voiture classique devra être de plus en plus puissante à mesure que la pente augmente, même si la surface de la piste est parfaite.

Cet algorithme pourrait être mis en œuvre dans l’avenir avec des ordinateurs quantiques capables d’effectuer certains éléments de base de la correction d’erreurs quantiques.

Les ordinateurs quantiques que les scientifiques arriveront à construire dans un avenir rapproché seront très limités et bruyants. Si des théoriciens mettent au point de meilleurs algorithmes capables de résoudre des problèmes à l’aide d’un circuit quantique dans un très petit nombre d’étapes, on pourra alors obtenir de meilleurs résultats avec les ordinateurs quantiques disponibles à court terme.

« Le problème que nous résolvons actuellement avec ce circuit n’est pas nécessairement utile en soi, dit M. Gosset, mais le fait qu’il y ait un avantage quantique est une autre preuve que les ordinateurs quantiques pourraient un jour surpasser les ordinateurs classiques pour certaines tâches. » [traduction]

L’article Quantum advantage with noisy shallow circuits (Un avantage quantique avec des circuits peu profonds bruyants) a été publié le 6 juillet 2020 dans Nature Physics.

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