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"Le nouvel ordinateur quantique basé sur la lumière et baptisé Jiuzhang, a atteint la suprématie quantique : un deuxième type de dispositif quantique a effectué un calcul impossible à réaliser avec un ordinateur traditionnel" par Emily Conover
Traduction et compléments de Jacques Hallard
samedi 5 décembre 2020, par
Le nouvel ordinateur quantique basé sur la lumière et baptisé Jiuzhang, a atteint la suprématie quantique : un deuxième type de dispositif quantique a effectué un calcul impossible à réaliser avec un ordinateur traditionnel
Traduction par Jacques Hallard de l’article de Emily Conover qui a été publié le 04 décembre 2020 par ‘trustmyscience.com’ NewsQuantum Physicssous le titre « The new light-based quantum computer Jiuzhang has achieved quantum supremacy » : accessible sur ce site https://trustmyscience.com/categories/actus-science/
illustration of quantum computer light channels
Photo – L’ordinateur quantique Jiuzhang fonctionne en envoyant des particules de lumière (illustrées en rouge) dans un réseau de canaux, puis en mesurant les photons à l’autre extrémité. Yihan Luo
Un nouveau type d’ordinateur quantique a prouvé qu’il peut aussi régner en maître.
Un ordinateur quantique photonique, qui exploite des particules de lumière, ou photons, a effectué un calcul impossible pour un ordinateur conventionnel, rapportent des chercheurs chinois dans un article publié en ligne le 3 décembre 2020 dans ‘Science’. Cette étape, connue sous le nom de suprématie quantique, n’a été franchie qu’une seule fois auparavant, en 2019, par l’ordinateur quantique de Google (SN : 10/23/19). L’ordinateur de Google, cependant, est basé sur des matériaux supraconducteurs, et non sur des photons.
’C’est la première confirmation indépendante de l’affirmation de Google selon laquelle on peut vraiment atteindre la suprématie quantique’, déclare l’informaticien théorique Scott Aaronson de l’Université du Texas à Austin. ’C’est passionnant.’
Nommé Jiuzhang, d’après un ancien texte mathématique chinois, le nouvel ordinateur quantique peut effectuer un calcul en 200 secondes qui prendrait plus d’un demi-milliard d’années sur l’ordinateur non quantique, ou classique, le plus rapide du monde.
[Addenda - A propos de l’ancien texte mathématique chinois > voir : « D’après le Jiuzhang suanchu ou ‘Les neufs chapitres sur l’art du calcul’, ouvrage chinois (environ 200 av J-C) ’Une ville carrée entourée d’une muraille comprend une porte au milieu DE chaque côté. Si tu quittes la ville par la porte nord en marchant 20 pas, tu trouveras un arbre. Si tu la quittes par la porte sud en marchant 14 pas vers le sud puis 1775 vers l’ouest, tu seras aligné avec le coin de la ville et l’arbre. On cherche la longueur des côtes de la ville.’ 1/ On note x la longueur des côtés de la ville. En appliquant le théorème de Thales, prouver que le problème peut se ramener à résoudre l’équation suivante : x2 (x au carré) +34x = 71.000. 2/ A l’aide d’un solveur d’équations, comme par exemple celui de Geogebra, trouver la solution au problème. Une équation du type ’x2(x au carré)+34x=71.000’ s’appelle une équation du second degré. MERCI » - Source : https://nosdevoirs.fr/devoir/1293765 ].
[On peut aussi consulter l’application pédagogique suivante : La ville carrée - www.ac-strasbourg.fr › TICE › Activites › la_ville_carree – PDF – « D’après le « Jiuzhang suanshu » ou les « Neuf chapitres sur l’art du calcul », ouvrage chinois de. 200 avant JC composé de 246 problèmes… » ].
Suite de l’article traduit
« Ma première impression a été ’wow’ », explique le physicien quantique Fabio Sciarrino de l’université Sapienza de Rome.
L’appareil de Google, appelé Sycamore, est basé sur de minuscules bits quantiques faits de matériaux supraconducteurs, qui conduisent l’énergie sans résistance. En revanche, le Jiuzhang est constitué d’un ensemble complexe de dispositifs optiques qui font la navette entre les photons. Ces dispositifs comprennent des sources de lumière, des centaines de séparateurs de faisceaux, des dizaines de miroirs et 100 détecteurs de photons.
[D’après Wikipédia, « Sycamore is the name of Google’s quantum processor, comprising 54 qubits. In 2019, Sycamore completed a task in 200 seconds that Google claimed, in a Nature paper, would take a state-of-the-art supercomputer 10,000 years to finish. Thus, Google claimed to have achieved quantum supremacy. To estimate the time that would be taken by a classical supercomputer, Google ran portions of the quantum circuit simulation on the Summit, the most powerful classical computer in the world.[1][2][3][4] Later, IBM made a counter-argument, claiming that the task would only take 2.5 days on a classical system like Summit…[5] – Traduction par JH : Sycamore est le nom du processeur quantique de Google, qui comprend 54 qubits. En 2019, Sycamore a réalisé en 200 secondes une tâche que Google a affirmé, dans un article de Nature, qu’il faudrait 10.000 ans à un superordinateur de pointe pour la terminer. Ainsi, Google a affirmé avoir atteint la suprématie quantique. Pour estimer le temps que prendrait un supercalculateur classique, Google a fait tourner des parties de la simulation du circuit quantique sur Summit, l’ordinateur classique le plus puissant du monde [1][2][3][4]. Plus tard, IBM a présenté un contre-argument, affirmant que la tâche ne prendrait que 2,5 jours sur un système classique comme Summit [5]… - Source : https://en.wikipedia.org/wiki/Sycamore_processor ].
quantum computer Jiuzhang
L’ordinateur quantique Jiuzhang manipule la lumière via un agencement complexe de dispositifs optiques (illustré ci-dessus).Hansen Zhong
En utilisant un processus appelé ’boson sampling’, Jiuzhang génère une distribution de nombres qui est extrêmement difficile à reproduire pour un ordinateur classique. Voici comment cela fonctionne : Les photons sont d’abord envoyés dans un réseau de canaux. Là, chaque photon rencontre une série de séparateurs de faisceau, chacun d’eux envoyant le photon sur deux chemins simultanément, dans ce qu’on appelle une superposition quantique. Les trajets se confondent également, et la division et la fusion répétées font que les photons interfèrent les uns avec les autres selon des règles quantiques.
Enfin, le nombre de photons dans chacun des canaux de sortie du réseau est mesuré à la fin. Lorsqu’il est répété plusieurs fois, ce processus produit une distribution de nombres basée sur le nombre de photons trouvés dans chaque sortie.
Si l’ordinateur quantique fonctionne avec un grand nombre de photons et de canaux, il produira une distribution de nombres trop complexe pour être calculée par un ordinateur classique. Dans la nouvelle expérience, jusqu’à 76 photons ont traversé un réseau de 100 canaux. Pour l’un des ordinateurs classiques les plus puissants du monde, le super-ordinateur chinois ‘Sunway TaihuLight’, prédire les résultats que l’ordinateur quantique obtiendrait pour tout ce qui dépasse 40 photons environ était impossible.
Bien que Google ait été le premier à franchir la barrière de la suprématie quantique, l’étape n’est ’pas un exploit unique’, déclare le co-auteur de l’étude et physicien quantique Chao-Yang Lu de l’Université de science et de technologie de Chine à Hefei. ’C’est une compétition permanente entre un matériel quantique constamment amélioré et une simulation classique sans cesse améliorée’. Après l’affirmation de la suprématie quantique de Google, par exemple, IBM a proposé un type de calcul qui pourrait permettre à un superordinateur d’effectuer la tâche que l’ordinateur de Google a accomplie, du moins en théorie.
[D’après Wikipédia, « La suprématie quantique, aussi appelée avantage quantique, désigne le nombre de qbits au-delà duquel aucun superordinateur classique n’est capable de gérer la croissance exponentielle de la mémoire et la bande passante de communication nécessaire pour simuler son équivalent quantique. Les superordinateurs de 2017 peuvent reproduire les résultats d’un ordinateur quantique de 5 à 20 qubits, mais à partir de 50 qubits cela devient physiquement impossible1.
Le seuil d’environ 50 qubits correspond à la limite de la suprématie quantique. D’après Harmut Neven, responsable des recherches en calcul quantique chez Google, son équipe est sur le point de construire un système de 49 qubits d’ici à la fin de l’année 20171.
En novembre 2017, IBM réussit à faire fonctionner un calculateur quantique de 50 qbits pendant 90 microsecondes atteignant donc le seuil théorique de la suprématie quantique2. Cependant, une équipe de recherche d’IBM a montré en octobre 2017 que ce seuil n’était pas aussi fixe que pensé dans un premier temps et qu’il est possible de modéliser le comportement d’un ordinateur quantique avec des ordinateurs conventionnels au-delà de 49 qbits grâce à des techniques mathématiques3,4.
C’est Intel qui en premier présentera un processeur quantique frôlant le seuil quantique lors du CES 2018 avec un processeur de 49 qbit.5
Pour certains chercheurs notamment chez IBM, le nombre de qubits seul ne permet pas de capturer la complexité inhérente aux calculateurs quantiques et ils suggèrent que la puissance d’un calcul quantique sur un appareil donné soit exprimée par un nombre appelé « volume quantique », qui regrouperait tous les facteurs pertinents, à savoir, le nombre et la connectivité des qubits, la profondeur de l’algorithme utilisé ainsi que d’autres mesures telles que la qualité des portes logiques, notamment le bruit du signal6.
L’utilisation du mot « suprématie » est également mise en cause en raison de ses connotations raciales et politiques6.
En octobre 2019, une publication dans la revue Nature 7 établit la validité du franchissement d’une étape majeure dans le calcul quantique, et d’une certaine forme de suprématie quantique. Toutefois la suprématie est contestée, puisque le même calcul aurait été réalisé par IBM en 2 jours et demi8. John Preskill explique9 que son équipe d’IBM a pu développer un algorithme classique et le faire tourner sur le supercalculateur Summit, non-quantique, invalidant ainsi la supposée réussite de Google10.
Voir aussi : Calculateur quantique Simulateur quantique Qubit
Cet article est une ébauche concernant l’informatique théorique. Vous pouvez partager vos connaissances en l’améliorant (comment ?) selon les recommandations des projets correspondants. Source de l’article complet : https://fr.wikipedia.org/wiki/Supr%C3%A9matie_quantique ].
Suite de la traduction de l’article
Et atteindre la suprématie quantique n’indique pas nécessairement que les ordinateurs quantiques sont encore très utiles, car les calculs sont ésotériques et conçus pour être difficiles pour les ordinateurs classiques.
Le résultat renforce le profil des ordinateurs quantiques photoniques, qui n’ont pas toujours reçu autant d’attention que d’autres technologies, explique le physicien quantique Christian Weedbrook, PDG de Xanadu, une société torontoise spécialisée dans la construction d’ordinateurs quantiques photoniques. ’Historiquement, la photonique a toujours été le cheval noir’.
L’une des limites du prototype Jiuzhang, note Weedbrook, est qu’il ne peut effectuer qu’un seul type de tâche, à savoir l’échantillonnage du boson. En revanche, l’ordinateur quantique de Google pourrait être programmé pour exécuter une variété d’algorithmes. Mais d’autres types d’ordinateurs quantiques photoniques, dont celui de Xanadu, sont programmables.
[Selon Wikipédia, « Échantillonnage du boson – ‘Boson sampling’ - Un article de Wikipédia, l’encyclopédie libre – L’échantillonnage du Boson constitue un modèle restreint de calcul quantique non-universel introduit par S. Aaronson et A. Arkhipov. Après l’œuvre originale de L. Troyansky et N. Tishby , qui ont exploré l’ utilisation possible de la diffusion de boson pour évaluer les valeurs d’attentes de de matrices permanentes. Le modèle consiste à échantillonner à partir de la distribution de probabilité de bosons identiques diffusés par un interféromètre linéaire. Bien que le problème soit bien défini pour toutes les particules bosoniques, sa version photonique est actuellement considérée comme la plate-forme la plus prometteuse pour une implémentation évolutive d’un dispositif d’échantillonnage de bosons, ce qui en fait une approche non universelle de l’informatique quantique optique linéaire. De plus, bien que n’étant pas universel, le schéma d’échantillonnage de bosons est fortement censé implémenter des tâches de calcul, qui sont difficiles à mettre en œuvre avec des ordinateurs classiques, en utilisant beaucoup moins de ressources physiques qu’une configuration de calcul quantique optique linéaire complète. Cela en fait un candidat exceptionnel pour démontrer la puissance du calcul quantique à court terme .… » - Source de l’article complet : Échantillonnage du boson - https://fr.qaz.wiki/wiki/Boson_sampling ].
Suite de l’article traduit et conclusion :
La démonstration de la suprématie quantique avec un autre type d’appareil révèle la rapidité avec laquelle l’informatique quantique progresse, explique M. Sciarrino. ’Le fait que les deux plates-formes différentes soient maintenant capables d’atteindre ce régime montre que l’ensemble du domaine progresse de manière très mature’.
Citations
H.-S. Zhong et al. Quantum computational advantage using photons. Science. Published online, December 3, 2020. doi : 10.1126/science.abe8770.
About Emily Conover (photo) - E-mail- Physics writer Emily Conover has a Ph.D. in physics from the University of Chicago. She is a two-time winner of the D.C. Science Writers’ Association Newsbrief award
À propos d’Emily Conover (photo) - La physicienne Emily Conover est titulaire d’un doctorat en physique de l’université de Chicago. Elle a remporté deux fois le prix ‘Newsbrief’ de l’Association des rédacteurs scientifiques de Washington.
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Un nouveau type d’ordinateur, qui échantillonne la lumière, atteint la suprématie quantique Par Fleur Brosseau · 04 décembre 2020 – Document ‘trustmyscience.com’ - Reproduction - | Yihan Luo
Une équipe de chercheurs de l’Université des sciences et technologies de Chine a conçu un nouveau type d’ordinateur quantique, basé sur l’échantillonnage de bosons. Ce dispositif, baptisé Jiuzhang, permet d’effectuer des calculs qu’aucun autre ordinateur classique au monde (même un supercalculateur) ne pourrait résoudre en un laps de temps raisonnable. C’est la seconde fois que les développeurs d’un algorithme annoncent avoir atteint ce niveau de puissance, désigné par « suprématie quantique ».
Parfois nommée « avantage quantique », la suprématie quantique désigne le nombre de qubits au-delà duquel aucun superordinateur ne peut gérer la quantité de mémoire et de bande passante nécessaire pour simuler son équivalent quantique. Cette limite se situe à environ 50 qubits. Dans le cas du système conçu par cette équipe chinoise, dirigée par Jian-Wei Pan, il faudrait des centaines de millions d’années au supercalculateur le plus puissant au monde pour accomplir ce que Jiuzhang peut calculer en 200 secondes seulement !
La suprématie quantique est quasiment atteinte pour la première fois en 2018 : lors de sa ‘keynote’ d’ouverture au CES de Las Vegas, Intel avait en effet dévoilé un processeur à 49 qubits. L’engin était ainsi capable de résoudre un problème offrant près de 5.000 milliards de solutions possibles ! Mais c’est en 2019 qu’une équipe d’ingénieurs de Google revendique avoir développé pour la première fois une certaine forme de suprématie quantique, sur 53 qubits, via leur processeur Sycamore. L’exploit avait fait l’objet d’un article dans la revueNature : l’ordinateur était capable d’effectuer en quelques minutes ce qui, selon les auteurs, aurait pris 10.000 ans à un supercalculateur actuel. Cependant, des chercheurs d’IBM ont par la suite contesté ces résultats, arguant que le calcul soumis à Sycamore aurait été réalisé par le supercalculateur Summit d’IBM en 2 jours et demi ; la « suprématie » était donc remise en cause.
Un ordinateur quantique basé sur des photons
À la différence de l’ordinateur quantique de Google — ou plus récemment, l’ordinateur Advantage conçu par D-Wave — qui exploite les matériaux supraconducteurs, ce nouveau calculateur utilise des photons (des particules de lumière). L’échantillonnage de bosons est en effet un modèle d’ordinateur qui repose sur une propriété quantique particulière des photons : si deux photons identiques frappent exactement au même moment un séparateur de faisceau — qui divise un faisceau de lumière en deux faisceaux distincts se propageant dans des directions différentes —, ils ne seront pas séparés l’un de l’autre ; au contraire, ils restent ensemble et voyagent tous deux dans la même direction.
Si l’on envoie de nombreux photons à travers une séquence de séparateurs de faisceaux plusieurs fois de suite, des motifs commencent à émerger dans les trajets suivis par les particules de lumière. Or, ces motifs sont extrêmement difficiles à simuler ou à prévoir avec des ordinateurs classiques. La recherche d’ensembles possibles de chemins de photons est ce que l’on appelle l’échantillonnage de bosons.
Photo - L’ordinateur quantique Jiuzhang manipule la lumière via un agencement complexe de dispositifs optiques. Crédits : Hansen Zhong
Le dispositif d’échantillonnage de bosons développé par Jian-Wei Pan et son équipe, nommé Jiuzhang, utilise des impulsions laser, envoyées dans un labyrinthe composé de 300 séparateurs de faisceaux et 75 miroirs. Comme expliqué ci-dessus, les photons sont d’abord envoyés dans un réseau de canaux, puis chacun rencontre une série de séparateurs de faisceaux ; chacun de ces séparateurs envoie les photons sur deux chemins simultanément, ce qu’on appelle une « superposition quantique ». Ces chemins peuvent fusionner, et les divisions et fusions successives font que les photons interfèrent les uns avec les autres selon des règles quantiques. Enfin, le nombre de photons dans chacun des canaux de sortie du réseau est mesuré (chaque photon lu en sortie équivaut à un qubit).
Utilisé avec un grand nombre de photons et de nombreux canaux (100 ici), cet ordinateur quantique produit une distribution de nombres trop complexes à calculer pour un ordinateur classique. Dans cette expérience, les chercheurs affirment avoir mesuré jusqu’à 76 photons (43 en moyenne). L’équipe a calculé qu’il serait impossible de simuler un échantillonnage de bosons avec aussi une haute fidélité sur un superordinateur classique. Il faudrait notamment 600 millions d’années au supercalculateur japonais Fugaku, le plus puissant au monde à ce jour, pour accomplir ce que Jiuzhang peut réaliser en 200 secondes (3,3 minutes). Le Sunway TaihuLight, actuellement à la quatrième place du classement des superordinateurs, mettrait quant à lui près de 2,5 milliards d’années !
Ces résultats, publiés dans la revue Science, constituent surtout la preuve que la suprématie quantique peut aussi être obtenue via l’échantillonnage de bosons photoniques. « Cela représente un chemin matériel complètement différent de celui des qubits supraconducteurs utilisés par Google », explique Scott Aaronson de l’Université du Texas à Austin. Mais ce spécialiste en informatique quantique ajoute qu’aussi exceptionnel que soit le système Jiuzhang, il sera peu exploitable : « Il n’est pas évident que l’échantillonnage de bosons ait des applications en soi, en plus de démontrer la suprématie quantique », déclare-t-il.
Certes, le dispositif dépasse largement tous les autres ordinateurs connus, mais uniquement pour effectuer une tâche extrêmement spécifique, à savoir l’échantillonnage de bosons. Pour le moment, la technique ne peut pas conduire à la conception d’un ordinateur quantique universel ou évolutif, un ordinateur réellement utilisable. Il faudrait pour cela modifier le mécanisme d’échantillonnage des bosons, pour par exemple avoir la possibilité de suspendre l’expérience, d’effectuer des mesures ou de rediriger certains photons, afin de résoudre des types de calculs différents. Une étape particulièrement difficile à réaliser selon Aaronson. En attendant, le dispositif pourrait tout de même s’avérer utile en chimie quantique ou pour la génération de nombres aléatoires pour le chiffrement quantique.
Par comparaison, l’ordinateur quantique de Google pourrait être en théorie programmé pour exécuter une grande variété d’algorithmes. Cependant, à l’heure actuelle, aucun ordinateur quantique n’est utilisable concrètement. Mais les recherches en informatique quantique vont bon train et les pontes du secteur (Google, IBM, Microsoft, Intel, etc…) redoublent d’efforts pour progresser dans le domaine. La plupart des recherches en cours s’intéressent aux machines quantiques basées sur les supraconducteurs, mais d’autres formes de matériel quantique existent : des ordinateurs quantiques photoniques, tels que le prototype Jiuzhang, mais aussi des ordinateurs quantiques fabriqués à partir de qubits basés sur des atomes en lévitation dans des champs électriques (des pièges à ions), comme ceux proposés par Honeywell et IonQ. Reste à savoir quelle technique sera réellement exploitable.
Source : Science, H.-S. Zhong et al.
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Traduction avec compléments et intégration de liens hypertextes par Jacques HALLARD, Ingénieur CNAM, consultant indépendant – 04/12/2020
Site ISIAS = Introduire les Sciences et les Intégrer dans des Alternatives Sociétales
Adresse : 585 Chemin du Malpas 13940 Mollégès France
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