La percée de chercheurs chinois dans le calcul quantique met sur le devant de la scène les qubits photoniques

Une équipe chinoise menée par Chao-Yang Lu a publié dans Science une expérience démontrant la supériorité d'un calculateur à photons sur un supercalculateur classique dans le cadre d'un calcul de test. De quoi mettre en lumière l'accélération des progrès de cette technologie alternative aux qubits supraconducteurs de Google et IBM.

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La percée de chercheurs chinois dans le calcul quantique met sur le devant de la scène les qubits photoniques

Nouvelle démonstration revendiquée de l'avantage quantique, soit la rapidité supérieure d'un calculateur quantique pour un calcul donné sur le meilleur calculateur classique. Une équipe de chercheurs chinois de l’USTC (University of Science and Technology of China) de Shanghai, menée par le très respecté Chao-Yang Lu, ont publié dans Science le 3 décembre la description d'un calcul quantique réalisé avec des photons à une vitesse quelque cent mille milliards de fois plus élevée que « l'état de l'art de la simulation et des supercalculateurs», pointent les auteurs. Et d'estimer que pour aboutir au résultat qu'ils obtiennent en 200 secondes, il faudrait environ 2,5 milliards d'années au Sunway TaihuLight, le meilleur supercalculateur chinois et 4e mondial.

Autant dire qu'en parlant d'avantage quantique plutôt que de suprématie quantique, l'équipe de Chao-Yang Lu se montre modeste comparée à Google qui, il y a à peine plus d'un an, n'avait pas hésité à parler de suprématie avec leur puce Sycamore de 53 qubits supraconducteurs. Peut-être une forme de prudence face aux progrès de l'algorithmie classique, défiée par ces machines quantiques, mais qui trouve sans cesse de nouvelles façons de rester dans la course, comme l'illustre une pré-publication récente.

Une performance appréciée par le français Quandela

Reste que comme ceux de Google, les travaux de l'équipe chinoise représentent un tour de force technologique qui témoigne de l'avancée très rapide des recherches sur le hardware quantique. Et cette fois-ci dans une voie restée dans l'ombre des supraconducteurs : les qubits photoniques, qui encodent l'information sur certaines caractéristiques de photons, comme la polarisation. Une performance qui réjouit Valérian Giesz, CEO du champion français de cette voie, la start-up Quandela : « On attendait depuis des années cette démonstration. Les résultats de l'équipe de Chao-Yang Lu paraissent solides et dépassent de plusieurs ordres de grandeur ce qu'a fait Google. Et ce à température ambiante, un grand avantage du calcul avec des photons. »

Le calcul choisi par les chercheurs chinois pour éprouver leur machine, baptisée Jiuzhang, n'a pour le moment aucun intérêt applicatif, tout comme celui choisi par Google pour sa puce Sycamore. Il s'agit d'un protocole conçu pour permettre la démonstration de l'avantage quantique. Soit une tâche d'une complexité a priori rédhibitoire pour un calculateur classique et qui permette à une machine quantique d'exprimer sa puissance. Plus précisément, il s'agit ici d'une tâche dite de Gaussian Boson Sampling (GBS, échantillonnage de boson gaussien), dérivée du Boson Sampling proposé dès 2011 par Scott Aaronson et Alex Arkhipov comme test de la suprématie quantique par une machine optique.

Des photons envoyés à travers un labyrinthe 3D

Concrètement, l'expérience consiste à envoyer des photons, dans un état de lumière spécifique appelé état comprimé, à travers un gros interféromètre à 100 modes, véritable labyrinthe 3D dans lequel chaque photon va évoluer selon les lois quantiques en interagissant avec ses homologues, pour ressortir dans différentes directions parmi 100 suivant son chemin. Placés à la sortie, 100 détecteurs de photons les attendent pour compter les photons ayant emprunté chacun des chemins. Ce qui, en répétant le processus de nombreuses fois, aboutit à la distribution de probabilité des parcours des photons.

Le dispositif expérimental est ultra complexe et loin d'être intégré : il occupe une table optique de 3 m2 et implique, outre les sources de photons et les détecteurs, quelque 300 séparateurs et 75 miroirs.

Complexité rédhibitoire pour le supercalculateur classique Sunway TaihuLight

Avec les 100 modes de l'interféromètre, l'opération de ce dispositif avec un nombre croissant de photons envoyés en entrée génère une complexité exponentiellement croissante pour un calculateur classique essayant de déterminer cette distribution, alors que 200 secondes suffisent au calculateur optique Jiuzhang. Ce qu'illustre la figure ci-dessous, qui indique à la fois le temps de calcul sur le supercalculateur classique Sunway TaihuLight et le coût en dollars de ce calcul.

Les points en bleu correspondent aux calculs effectivement réalisés sur le supercalculateur, les points en rouge sont une extrapolation

Au-delà de la prouesse technologique et de la démonstration de l'avantage quantique avec un calculateur photonique, le protocole expérimenté par l'équipe chinoise pourrait devenir utile dans certaines applications. « Le boson sampling peut être vu comme une technique d'implémentation d'algorithmes sur un calculateur à photons, explique Valérian Giesz, et des travaux proposent de l'utiliser pour, notamment, des applications dans la simulation de molécules. Cela reste dans le domaine analogique, c'est-a-dire sans utilisation de l'équivalent des portes logiques du calcul classique, mais c'est plus complex et étayé mathématiquement que le recuit quantique que propose par exemple D-Wave. »

Il ne faudra peut-être pas attendre longtemps avant de voir de tels exemples d'applications des calculateurs à photons, à en croire Chao-Yang Lu, qui a promis dans un tweet des applications dès 2021.

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