Que signifie la puce quantique de Google en accomplissant une tâche de calcul de 1 000 billions d’années en 5 minutes ?

Indécision, mécanique quantique.

La naissance de la mécanique quantique remonte à plus de 120 ans. De l'expérience d'interférence de la lumière à double fente à l'expérience de pensée du « chat de Schrödinger », cela semble être la loi de la physique la plus mystérieuse et la plus profonde de notre imagination. Le physicien théoricien américain Richard Phillips Feynman a dit un jour :

Si vous pensez comprendre la mécanique quantique, vous ne comprenez pas la mécanique quantique.

Même si la mécanique quantique est assez loin de nous, elle se développe également rapidement : en 2016, la Chine a lancé avec succès le satellite expérimental de science quantique « Mozi » ; le prix Nobel de physique 2022 a été décerné à trois scientifiques en reconnaissance de leur « » Contribution à la recherche sur la science de l'information quantique.

Google a également récemment réalisé de grands progrès dans le domaine de la « mécanique quantique », que l'on peut qualifier d'innovation « marquante ».

Hartmut Neven, fondateur et chef de l'équipe d'intelligence artificielle quantique de Google « Quantum AI », a publié un article sur son blog annonçant le lancement de sa dernière puce quantique « Willow » et la qualifiant d'ordinateur quantique à grande échelle a ouvert la voie.

Dans l'article, le texte indique que cette puce « présente des performances de pointe dans de nombreux indicateurs » et « réalise deux réalisations majeures » :

• Premièrement, Willow a augmenté le nombre de « qubits » utilisés (105) et réduit « de manière exponentielle » les erreurs ;
• Deuxièmement, Willow a réalisé son dernier test de référence « Random Circuit Sampling (RCS) » en moins de 5 minutes.

Pour comprendre ces avancées révolutionnaires, nous devons comprendre le fonctionnement des ordinateurs/puces quantiques.

L'un des concepts fondamentaux de la mécanique quantique est la « superposition », c'est-à-dire qu'un système quantique peut exister dans plusieurs états en même temps. Les ordinateurs quantiques utilisent cette propriété de superposition pour créer des « qubits », qui constituent le cœur des ordinateurs quantiques de base. unité de calcul.

Contrairement aux bits binaires des ordinateurs classiques, les qubits peuvent être dans un « état de superposition » de 0 et 1 en même temps . Cet état permet aux ordinateurs quantiques de traiter simultanément plusieurs chemins de calcul, ou états, ce qui les rend plus rapides et plus efficaces que les ordinateurs classiques pour résoudre certains problèmes complexes.

De plus, il existe une relation particulière entre les qubits appelée « intrication quantique » : lorsque des qubits sont intriqués les uns avec les autres, quelle que soit leur distance, l'état d'un qubit affectera immédiatement l'état de l'autre qubit.

À ce stade, nous pouvons connaître l'état d'autres qubits en fonction de l'état d'un certain qubit, ce qui permet également d'obtenir l'effet de transmission d'informations. Cette propriété permet aux ordinateurs quantiques de partager et de transférer des informations plus efficacement lorsqu'ils traitent des problèmes complexes.

Cependant, l'état des qubits est très fragile et est facilement perturbé par l'environnement extérieur (température, vibration, électromagnétique, etc.), entraînant la perte d'informations quantiques. Ce phénomène est appelé « décohérence quantique ». En raison de l’intrication, les erreurs peuvent se propager d’un qubit à d’autres qubits, affectant ainsi la puissance de calcul.

Et comme les qubits ont tendance à échanger rapidement des informations avec leur environnement, les informations nécessaires à la réalisation des calculs sont difficiles à protéger. Généralement, plus un ordinateur quantique utilise de qubits, plus d’erreurs se produisent et l’ensemble du système devient plus « classique ».

Mais selon le texte, les chercheurs de Google ont introduit une nouvelle méthode de « correction d'erreur quantique » qui permet de réaliser que plus de qubits sont utilisés dans la puce Willow, plus les erreurs seront réduites et le taux d'erreur diminuera de manière exponentielle.

Nevin a déclaré dans l'article que cette réalisation historique, connue dans le domaine sous le nom de « sous-seuil », est la capacité d'augmenter le nombre de qubits tout en réduisant les erreurs. Nevin souligne également que la correction des erreurs quantiques constitue un défi extrêmement difficile depuis que Peter Shor l'a introduite en 1995.

Par conséquent, « en dessous du seuil » peut montrer « de réels progrès dans la correction des erreurs », et Willow est le premier système en dessous du seuil, ce qui montre que la possibilité de construire de très grands ordinateurs quantiques existe. Les résultats de la recherche ont également été publiés dans la revue Nature.

En outre, l'article affirmait que Willow avait effectué le test d'échantillonnage de circuits aléatoires (RCS) en 5 minutes, qui est considéré comme « le test de référence classique le plus difficile réalisé sur les ordinateurs quantiques d'aujourd'hui », et appelait ces derniers résultats de Willow « les meilleurs ». jusqu'à présent".

À titre de comparaison, il faut 10^25 ans au supercalculateur le plus rapide du monde pour calculer le RCS, ce qui est encore plus long que l'âge de l'univers (environ 13,8 milliards d'années).

Les tests d'échantillonnage de circuits aléatoires (RCS) sont une méthode utilisée pour évaluer les performances des ordinateurs quantiques. L’idée principale est d’utiliser un ordinateur quantique pour effectuer des opérations de porte quantique sélectionnées de manière aléatoire, générer des états quantiques aléatoires, puis échantillonner et mesurer ces états quantiques.

Le RCS a été proposé pour la première fois par l'équipe de Naiwen, et Naiwen a déclaré qu'il s'agissait désormais de « une norme commune dans le domaine ».

Il convient de mentionner qu'en 2019, Google a affirmé que le processeur quantique "Sycamore" qu'il a développé pouvait effectuer des calculs en seulement trois minutes, ce qui aurait pris 10 000 ans au supercalculateur le plus rapide du monde. Il a également souligné que son équipe de recherche avait atteint " le quantique ". suprématie ".

IBM a contesté les résultats des tests informatiques de Sycamore, et le terme « suprématie quantique » a également suscité une controverse considérable, bien que Google souligne que ce terme n'est qu'un « terme technique ». Plus tard, Google a essayé d'éviter d'utiliser le terme, affirmant seulement qu'il avait atteint « au-delà de l'informatique classique ».

De plus, IBM et Honeywell utilisent généralement le terme « volume quantique » pour décrire et quantifier leur équipement informatique quantique dans leurs recherches en mécanique quantique, mais Google n'utilise pas du tout ce concept. L’absence de normes unifiées rend difficile la comparaison des produits concurrents.

Nevin a déclaré que la technologie quantique est utile dans la collecte de données de formation en IA, le développement de nouveaux véhicules énergétiques et la découverte de nouveaux médicaments.

Dans le même temps, il attendait avec impatience le prochain objectif de la recherche en mécanique quantique de Google : réaliser un calcul à la fois « pertinent pour les programmes réels » et « irréalisable par les ordinateurs classiques », véritablement « utile » et « au-delà des classiques ». .

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