Pour évaluer les performances d'un supercalculateur, les informaticiens se tournent vers un outil standard: un ensemble d'algorithmes
LINPACK qui permet de vérifier comment une machine peut résoudre des problèmes avec un grand nombre de variables. Mais pour les ordinateurs quantiques qui pourront un jour résoudre des problèmes inaccessibles aux ordinateurs ordinaires, un tel standard de mesure des performances n'existe pas.
L'une des raisons est que les ordinateurs, qui devront utiliser les lois de la mécanique quantique pour accélérer certains calculs, sont encore dans un état rudimentaire, et les différents circuits de périphériques possibles de ces ordinateurs sont en concurrence. Dans certains d'entre eux, les bits quantiques, ou qubits utilisés pour le calcul, sont enfermés dans les spins d'une séquence d'ions «capturés», tandis que d'autres s'appuient sur des morceaux de métaux supraconducteurs qui résonnent en réponse au rayonnement micro-ondes. Comparer les architectures rudimentaires, c'est comme «comme si nous allions dans une crèche pour décider quels bébés deviendraient des joueurs de basket-ball célèbres», explique Scott Aaronson, spécialiste des technologies de l'information à l'Université du Texas à Austin.
Cependant, les chercheurs tentent déjà de mesurer la vitesse des ordinateurs quantiques. En juin 2019, Margaret Martonosi, spécialiste informatique à l'Université de Princeton et ses collègues, ont présenté une comparaison des ordinateurs quantiques d'IBM, Rigetti Computing de Berkeley et de l'Université du Maryland (UMD) à College Park. Une machine UMD fonctionnant avec des ions piégés a géré la plupart des 12 algorithmes de test avec plus de précision que les autres ordinateurs supraconducteurs, et l'équipe l'a annoncé lors du Symposium international d'architecture informatique de Phoenix. Christopher Monroe, physicien à l'UMD et fondateur d'IonQ, prédit que de telles comparaisons deviendront un jour la norme. "Ces algorithmes de jouets nous donnent une réponse simple - cela a-t-il fonctionné ou non?" Cependant, même Martonosi prévient qu'il faut être prudent dans ces tests. L'analyse souligne même à quel point il est difficile de comparer les ordinateurs quantiques, et qu'en conséquence, les développeurs sont libres de choisir des mesures qui exposent leurs machines sous le meilleur jour possible.
Les ordinateurs classiques fonctionnent avec des bits d'informations codés dans des transistors qui peuvent être activés et désactivés, indiquant zéro ou un. Un qubit peut désigner simultanément à la fois zéro et un, codant un état dans un ion, dont le spin peut être nul, unique ou peut être dans les deux états à la fois. Les Qubits permettent à la machine de traiter simultanément un tableau de données entrantes, au lieu de le faire séquentiellement. Mais les capacités réelles de la machine ne se réalisent pas à travers ce parallélisme massif, mais à travers une approche de problèmes dont les solutions peuvent être encodées en ondes quantiques éclaboussant entre qubits. Les vagues interfèrent de telle manière que les mauvaises décisions coulent et que les bonnes flottent.
Un ordinateur quantique peut, par exemple, casser des systèmes de cryptage Internet basés sur la factorisation de grands nombres - pour un ordinateur classique, c'est une tâche très difficile. Mais la résolution de ces problèmes nécessitera 100 000 qubits, ainsi que des méthodes de correction des erreurs dans les ondes quantiques sensibles. Les chercheurs disent que de telles machines n'apparaîtront pas avant plusieurs décennies. Cependant, les ordinateurs quantiques avec seulement quelques dizaines de qubits bruyants seront bientôt en mesure de rivaliser avec les ordinateurs ordinaires dans certaines tâches, et les développeurs recherchent déjà des mesures appropriées pour le prouver.
Saut quantique
Rigetti Computing recherche une application pouvant donner un avantage pratique à un ordinateur quantique basé sur une puce supraconductrice. D'autres sociétés font la promotion d'autres paramètres pour mesurer les progrès.
L'une des mesures les plus courantes est la solution à un problème trop important pour un ordinateur ordinaire, ou ce que l'on appelle supériorité quantique. "C'est une sorte de projet" Hello world! "Qui démontre les performances de votre ordinateur quantique", a déclaré John Martinis, un physicien de Santa Barbara qui dirige le projet de Google pour exceller sur une machine avec 72 qubits supraconducteurs.
La tâche choisie par les chercheurs de Google est extrêmement abstraite. En fait, ils programment leur ordinateur quantique pour effectuer un ensemble d'opérations aléatoires répétées en continu sur les qubits. En raison des interférences quantiques, une machine doit produire certaines séquences de zéros et de zéros avec une probabilité plus élevée que d'autres. S'il n'y avait pas d'interférence, la probabilité d'occurrence de ces séquences et d'autres serait la même. De plus, la prévision de la distribution exacte des résultats de travail dépasse les capacités des ordinateurs classiques avec une augmentation du nombre de qubits. Donc, si les chercheurs de Google peuvent mesurer cette distribution caractéristique pour leur machine de 72 qubits, cela signifiera qu'ils ont atteint la supériorité quantique en comptant quelque chose qui n'est pas disponible pour un ordinateur ordinaire. Cependant, cet exercice cryptique n'ouvrira pas l'ère des ordinateurs quantiques pratiquement utiles, explique Greg Cooperberg, mathématicien à l'Université de Californie à Davis. "C'est une supériorité dans la résolution d'une tâche complètement inutile."
Les chercheurs de Rigetti, au contraire, cherchent à démontrer que leur ordinateur quantique est capable d'effectuer certaines tâches utiles avec plus de précision, plus rapidement ou moins cher que d'habitude - ils ont appelé cette métrique un avantage quantique. «Nous voulons atteindre des propriétés qui peuvent nous montrer le chemin le plus court vers la valeur commerciale», a déclaré Chad Rigetti, physicien et fondateur de la startup. Par exemple, dit-il, un ordinateur quantique peut être idéal pour modéliser des interactions complexes d'actifs financiers dans un hedge fund.
En septembre 2018, Rigetti a offert 1 million de dollars au premier utilisateur qui a réussi à obtenir des avantages quantiques sur ses ordinateurs, accessibles à tous. La version actuelle utilise 16 qubits supraconducteurs. Étant donné que des facteurs tels que le coût sont inclus dans la métrique, l'avantage quantique n'a pas une définition aussi stricte, explique Aram Harrow, physicien au Massachusetts Institute of Technology. «Mais s’ils sont un peu flous, ce n’est pas grave pour Ridgetti», explique Harrow.
Les chercheurs d'IBM ont identifié leur volume quantique métrique - il mesure les performances des ordinateurs quantiques sans comparaison avec les ordinateurs conventionnels. Cela comprend la vérification d'un ordinateur quantique sur des calculs aléatoires, similaires à ce qu'ils font chez Google. Cela dépend à la fois du nombre de qubits et du nombre de cycles de calcul qu'une machine peut supporter avant que son état quantique ne disparaisse.
En utilisant une machine avec 20 qubits supraconducteurs, les scientifiques d'IBM ont atteint un volume quantique de 16 unités et prévoient de le doubler chaque année, a déclaré Jay Gambetta, physicien au IBM Research Center. Thomas Watson à Yorktown Heights, New York. Il dit que des applications révolutionnaires suivront naturellement. «Je ne pense pas que cela vaille la peine de marquer quelque chose comme la supériorité. Nous en sommes conscients lorsque nous nous dirigeons vers des réalisations toujours plus grandes. »
Et il y a une comparaison directe, comme celle de Martonosi. Dans ses tests, une machine à ions à 5 qubits a correctement résolu tous les problèmes dans 90% des cas, par rapport aux machines à qubit supraconductrices qui ont résolu les problèmes dans pas plus de 50% des cas. Cette différence reflète l'état actuel de la technologie, mais pas leur potentiel, explique Martonosi. Par exemple, dans une machine supraconductrice, chaque qubit n'interagit qu'avec ses voisins, mais chaque ion de la machine UMD interagit avec tous les autres ions, ce qui lui donne un avantage. Mais les grosses machines à ions n'auront plus cet avantage.
Martonosi dit que les comparaisons montrent une amélioration significative des performances de tous les ordinateurs quantiques lorsqu'ils sont programmés pour les différences de bruit des qubits et leur connectivité. «Cela fonctionne sur une grande variété d'options matérielles», dit-elle. "Et c'est très cool."
Harrow se demande à quel point les mesures actuelles seront utiles à long terme. La principale difficulté de l'informatique quantique est de trouver une technologie pouvant atteindre des milliers de qubits, dit-il. «Et ces mesures sont très peu liées aux problèmes de mise à l'échelle.»