Les ordinateurs quantiques, appareils qui effectuent des calculs en exploitant des phénomènes de mécanique quantique, ont le potentiel de surpasser les ordinateurs classiques sur certaines tâches et problèmes d’optimisation. Ces dernières années, des équipes de recherche d’établissements universitaires et d’entreprises informatiques ont tenté de concrétiser ces meilleures performances prévues pour des problèmes spécifiques, largement connues sous le nom d’« avantage quantique ».
Pour démontrer de manière fiable qu’un ordinateur quantique est plus performant qu’un ordinateur classique, il faut, entre autres, collecter des mesures précises à l’intérieur de l’ordinateur et les comparer à celles collectées dans les ordinateurs classiques. Cependant, cela peut parfois s’avérer difficile, en raison de la nature distincte de ces deux types d’appareils.
Des chercheurs du NIST/Université du Maryland, de l’UC Berkeley, de Caltech et d’autres instituts aux États-Unis ont récemment introduit et testé un nouveau protocole qui pourrait aider à valider de manière fiable les avantages des ordinateurs quantiques. Ce protocole, introduit dans Physique naturelles’appuie sur des mesures à mi-circuit et une technique cryptographique.
« L’inspiration ultime derrière cette recherche, à mon avis, est la question de savoir si les avantages informatiques fournis par les ordinateurs quantiques peuvent être validés efficacement », a déclaré Daiwei Zhu, l’un des chercheurs qui ont mené l’étude, à Phys.org. « En d’autres termes, si les ordinateurs quantiques deviennent plus puissants que n’importe quelle simulation classique, comment pouvons-nous valider leurs résultats via des examens croisés ?
« C’est un défi auquel sont probablement confrontées toutes les démonstrations actuelles de l’avantage quantique. Des avancées récentes ont trouvé une réponse à cette question en utilisant l’idée de preuve interactive cryptographique. »
Les preuves interactives cryptographiques sont essentiellement des protocoles interactifs grâce auxquels un ordinateur classique peut valider un ordinateur quantique bien plus puissant via une série de questions et d’instructions. Les protocoles utilisés par Zhu et ses collègues ont été présentés pour la première fois dans des études antérieures menées par des chercheurs de l’UC Berkeley (publiées dans Physique naturelle) et Caltech (publié dans Journal de l’ACM). Dans leur étude récente, l’équipe de Zhu a effectué une démonstration de principe de ces protocoles, à l’aide d’un ordinateur quantique à piège à ions.
« Nous avons disposé les qubits en plusieurs segments en fonction de leurs fonctions (à quel stade doivent-ils être lus) tout au long du calcul interactif », a expliqué Zhu. « À chaque étape de lecture, nous séparons les segments cibles du reste des qubits et les éloignons pour effectuer la lecture. De cette façon, la cohérence/les informations quantiques stockées dans d’autres segments sont préservées pour le reste du calcul. »
La procédure suivie par Zhu et son collègue a produit des lectures des segments cibles (c’est-à-dire les qubits qu’ils souhaitaient examiner). Ces segments ont ensuite été vérifiés de manière interactive par rapport aux calculs quantiques effectués, pour valider l’avantage quantique.
« D’une part, nous avons réussi à intégrer des mesures à mi-circuit dans des circuits quantiques arbitraires avec une fidélité globale suffisamment élevée en utilisant de longues chaînes d’ions », a déclaré Zhu. « Cela pourrait être appliqué à de nombreux autres algorithmes interactifs. D’un autre côté, notre démonstration, lorsqu’elle est adaptée à des systèmes plus grands, promet la vérification efficace de l’avantage informatique quantique. »
Les nouveaux protocoles introduits et évalués par cette équipe de chercheurs présentent des avantages notables par rapport aux autres méthodes existantes pour tester l’avantage quantique. Par exemple, comparé à l’algorithme de Shor, qui est également vérifiable efficacement, leur protocole peut être implémenté avec un ordre de grandeur en moins d’opérations de porte quantique.
À l’avenir, le nouveau protocole interactif pourrait être mis en œuvre et évalué dans d’autres expériences. En outre, Zhu et ses collègues espèrent concevoir des protocoles interactifs supplémentaires pour évaluer d’autres aspects et dimensions de l’informatique quantique.
« D’un point de vue théorique, nous souhaitons désormais appliquer des protocoles interactifs à d’autres tâches telles que la génération de nombres aléatoires certifiables, la préparation d’états à distance et la vérification de calculs quantiques arbitraires », a ajouté Zhu. « Expérimentalement, en utilisant la capacité de mesure en milieu de circuit, nous sommes également ravis d’explorer de nouveaux phénomènes, tels que les transitions de phase d’intrication, ainsi que la démonstration de protocoles de rétroaction cohérents, notamment la correction d’erreur quantique. »
Plus d’information:
Daiwei Zhu et al, Preuves cryptographiques interactives du caractère quantique utilisant des mesures à mi-circuit, Physique naturelle (2023). DOI : 10.1038/s41567-023-02162-9
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