Ces dernières années, les physiciens et ingénieurs quantiques ont tenté de développer des processeurs informatiques quantiques plus performants que les ordinateurs classiques dans certaines tâches. Pourtant, les démonstrations concluantes prouvant que les systèmes quantiques fonctionnent mieux que leurs homologues classiques (c’est-à-dire la réalisation d’un avantage quantique) restent rares, en raison de divers défis expérimentaux.
Des chercheurs du Henan Key Laboratory of Quantum Information and Cryptography et du SN Bose National Center for Basic Sciences ont mené une expérience visant à établir l’avantage quantique d’un système quantique élémentaire pour le stockage de l’information.
Leur papier, publié dans Lettres d’examen physiquedémontre qu’un seul qubit peut surpasser un bit classique dans une tâche de communication qui n’implique aucun caractère aléatoire partagé (c’est-à-dire des variables aléatoires classiquement corrélées entre les parties communicantes).
« Les avantages quantiques sont difficiles à identifier, encore plus difficiles à démontrer expérimentalement, et souvent limités par des théorèmes fondamentaux interdits », a déclaré Heliang Huang, auteur principal de l’article, à Phys.org.
« Par exemple, les résultats de Holevo et Frenkel-Weiner assimilent l’utilité d’un qubit (un système quantique à deux niveaux) à celle d’un bit classique pour toute tâche de communication classique impliquant un seul émetteur (Alice) et un seul récepteur (Bob). Bien que ces théorèmes imposent des limites strictes aux capacités des ressources quantiques, ils supposent la disponibilité de corrélations classiques pré-partagées entre l’émetteur et le récepteur, une ressource elle-même coûteuse du point de vue de la théorie de l’information.
L’expérience menée par Huang et ses collègues visait à déterminer si un qubit peut surpasser un bit classique en l’absence d’aléatoire partagé classique, en particulier sur une tâche classique de stockage de données. Leurs résultats montrent que tel est le cas, ce qui pourrait inciter les chercheurs à réévaluer le potentiel des systèmes quantiques dans des scénarios réalistes où les ressources sont plus limitées.
« Plus largement, notre étude contribue à la recherche continue de la compréhension et de l’exploitation des propriétés non classiques des systèmes quantiques pour des tâches qui dépassent les limites classiques », a déclaré Manik Banik, un autre auteur principal de l’article. « Cela représente une étape importante vers la libération du potentiel transformateur des technologies quantiques dans le traitement de l’information et la communication. »
Pour réaliser l’avantage quantique décrit dans leur article, les chercheurs ont mené une série d’expériences sur un processeur quantique photonique. Pour mener ces expériences, ils ont d’abord développé un polarimètre triangulaire variationnel, un instrument optique capable de mesurer avec précision la polarisation de la lumière.
Grâce à cet instrument, ils ont pu collecter des mesures de valeur positive de l’opérateur (POVM) sur les photons. Ces mesures sont essentielles pour comprendre les états quantiques en présence de contraintes telles que le bruit.
« Notre expérience impliquait de coder des informations sur des états quantiques (qubits) et de les transmettre d’un agent à un autre (c’est-à-dire d’Alice à Bob), qui décodait ensuite les informations à l’aide de notre polarimètre personnalisé », a expliqué Huang.
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« Nous avons joué à un scénario de théorie des jeux connu sous le nom de » jeu du restaurant « , dans lequel Bob devait choisir un restaurant à visiter en fonction des informations quantiques reçues, sans visiter un restaurant fermé. »
L’expérience menée par ces chercheurs a donné des résultats intéressants, car ils suggèrent qu’un seul qubit peut en fait surpasser un bit classique dans cette tâche de communication sans aléatoire partagé. Cette découverte constitue notamment un écart significatif par rapport aux théorèmes de non-droit bien établis (c’est-à-dire les résultats qui imposent des limites à ce qui peut et ne peut pas être réalisé dans le contexte de la théorie quantique).
« Notre étude a des implications pour les technologies quantiques à court terme, en fournissant un système de certification semi-indépendant des appareils pour les systèmes de codage-décodage quantique et une méthode efficace pour le chargement et la transmission d’informations dans les réseaux quantiques », a déclaré Huang.
« Cela suggère également que les systèmes quantiques pourraient être utilisés pour améliorer le stockage et la communication des données dans des scénarios où le caractère aléatoire partagé n’est pas disponible ou est compromis. »
Les résultats rassemblés par Huang et ses collègues pourraient inspirer des réévaluations du potentiel des systèmes informatiques quantiques élémentaires et de leurs performances par rapport à celles des ordinateurs classiques. Dans leurs prochaines études, les chercheurs prévoient d’explorer l’avantage quantique des systèmes plus grands, en se concentrant spécifiquement sur l’amélioration de l’évolutivité et de l’efficacité de leur configuration expérimentale.
« Nous souhaitons particulièrement étendre nos découvertes à l’informatique quantique multipartite, à la cryptographie quantique et aux protocoles de communication quantique, dans le but de jeter les bases de réseaux quantiques à grande échelle », a déclaré Huang. « La capacité de stocker et de transmettre efficacement des informations quantiques est essentielle à la réalisation de ces réseaux, et notre travail constitue une étape vers cet objectif. »
En plus de mener d’autres expériences avec des systèmes quantiques plus grands, les chercheurs prévoient d’explorer les aspects théoriques des systèmes informatiques quantiques. Par exemple, ils aimeraient mieux définir les fondements théoriques de l’avantage quantique et déterminer comment ceux-ci peuvent être exploités dans des contextes expérimentaux.
« Cela inclut l’étude de l’interaction entre les ressources quantiques, telles que l’intrication et la non-localité, et leur rôle dans l’amélioration des capacités classiques de stockage et de traitement des données », a ajouté Huang. « Notre objectif ultime est non seulement de repousser les limites de la technologie quantique, mais également de rendre ces avancées accessibles et bénéfiques pour les applications du monde réel. »
Plus d’informations :
Chen Ding et al, Quantum Advantage : l’avantage expérimental d’un seul qubit dans le stockage de données classique, Lettres d’examen physique (2024). DOI : 10.1103/PhysRevLett.133.200201. Sur arXiv : DOI : 10.48550/arxiv.2403.02659
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