Étendre la portée de l’IA classique dans le monde quantique

Wednesday, July 24, 2019

Une bourse Google de recherche universitaire propulse l’apprentissage automatique quantique.

Le laboratoire de physique de l’information, dirigé par le professeur Achim Kempf, a obtenu l’une des bourses de recherche universitaire 2018 de Google. La physique de l’information, objet principal des travaux du laboratoire de M. Kempf, constitue un vaste domaine de recherche allant de la relativité générale à la physique quantique, en passant par la théorie de l’information et l’intelligence artificielle (IA).

Le laboratoire de M. Kempf a reçu cette bourse de Google pour un projet d’apprentissage automatique quantique. Le doctorant Guillaume Verdon et le candidat à la maîtrise Evan Peters, étudiants de M. Kempf, assistés de l’étudiant de 1er cycle Michael Broughton, ont entrepris ce projet qui se situe à la jonction de la physique quantique et de l’apprentissage profond. Cette recherche porte sur la manière dont des algorithmes d’intelligence artificielle exécutés dans un ordinateur quantique peuvent être couplés ou hybridés avec l’intelligence artificielle dans un ordinateur classique. L’équipe de chercheurs a attiré l’attention de Google avec des articles importants tels que A Universal Training Algorithm for Quantum Deep Learning (Un algorithme universel d’entraînement pour l’apprentissage profond quantique), publié en 2018, qui explique en détail comment la dynamique quantique peut servir à optimiser des réseaux neuronaux classiques et quantiques.

« Il y a 2 ans, j’ai pris le risque de plonger dans le domaine nouveau de l’apprentissage automatique quantique, alors que personne n’avait la moindre idée de ce que cela allait être, dit M. Verdon. Je pensais que l’apprentissage automatique et l’apprentissage automatique quantique pourraient constituer des applications d’ordinateurs quantiques réalisés à court terme. Au bout du compte, je crois que, un jour, les ordinateurs quantiques pourront même nous aider à tester nos divers modèles de physique théorique et de gravitation quantique, étendant ainsi la portée de nos calculs et notre capacité à modéliser et à comprendre le fonctionnement de l’univers. » [traduction]

Richard Feynman a été le premier à proposer l’utilisation d’ordinateurs quantiques pour simuler le monde à l’échelle quantique afin de mieux comprendre la mécanique quantique. À titre d’exemple, un ordinateur quantique pourrait simuler des réactions chimiques produisant de nouvelles molécules qui auraient des applications potentiellement valables en conception de matériaux ou de médicaments. Comme la chimie est fondamentalement quantique, des simulations quantiques et la nouvelle IA quantique mise au point dans ce projet devraient à terme apporter une aide précieuse à l’étude, à la compréhension et au perfectionnement de réactions chimiques simulées, en vue de la conception de matériaux et de médicaments.

« On croit maintenant, dit M. Kempf, que la puissance des ordinateurs quantiques ne se limitera pas aux simulations chimiques et révolutionnera des tâches, notamment dans les domaines de l’intelligence artificielle, de la recherche de données, de l’optimisation combinatoire ou du contrôle automatique, bien au-delà de la puissance des ordinateurs classiques. » [traduction]

Les chercheurs prédisent que d’ici moins d’un an les ordinateurs quantiques atteindront la taille critique leur permettant de dépasser ce qu’un ordinateur classique permet de modéliser. D’ici environ 2 à 3 ans, les ordinateurs quantiques pourraient permettre des calculs dans 10 puissance 100 dimensions ou plus. Les chercheurs sont donc mis au défi de réaliser les premières applications concrètes du matériel d’informatique quantique à venir.

Pour relever ce défi, Achim Kempf et son laboratoire ont récemment uni leurs efforts à ceux des équipes des professeurs David Gosset, Michele Mosca, Christine Muschik et Alex Wong. Ce groupe, qui envisage actuellement une collaboration accrue avec Google, fait partie de l’écosystème bien développé de physique quantique et d’informatique de l’Université de Waterloo. Des initiatives comme celle-ci continuent de consolider la position de l’Université de Waterloo comme chef de file de la recherche interdisciplinaire en physique quantique.

Le présent article a d’abord été publié en anglais dans les nouvelles du Département de mathématiques appliquées de l’Université de Waterloo.

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