Un nouveau protocole pour démontrer de manière fiable l'avantage de calcul quantique

30 août 2023 Caractéristique

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par Ingrid Fadelli, Phys.org

Les ordinateurs quantiques, des dispositifs qui effectuent des calculs en exploitant des phénomènes quantiques, ont le potentiel de surpasser les ordinateurs classiques sur certaines tâches et problèmes d'optimisation. Ces dernières années, des équipes de recherche tant dans les institutions académiques que dans les entreprises informatiques ont cherché à réaliser cette meilleure performance prédite pour des problèmes spécifiques, ce qui est largement connu sous le nom d'"avantage quantique".

Pour démontrer de manière fiable qu'un ordinateur quantique est plus performant qu'un ordinateur classique, il faudrait, entre autres choses, collecter des mesures précises à l'intérieur de l'ordinateur et les comparer à celles collectées dans des ordinateurs classiques. Cependant, cela peut parfois être difficile en raison de la nature distincte de ces deux types de dispositifs.

Récemment, des chercheurs du NIST/Université du Maryland, de l'UC Berkeley, de Caltech et d'autres instituts aux États-Unis ont introduit et testé un nouveau protocole qui pourrait aider à valider de manière fiable l'avantage des ordinateurs quantiques. Ce protocole, présenté dans la revue Nature Physics, s'appuie sur des mesures en cours de circuit et une technique cryptographique.

"L'inspiration ultime derrière cette recherche, à mon avis, est la question de savoir si les avantages computationnels fournis par les ordinateurs quantiques peuvent être efficacement validés", a déclaré Daiwei Zhu, l'un des chercheurs ayant mené l'étude, à Phys.org. "En d'autres termes, si les ordinateurs quantiques deviennent plus puissants que toute simulation classique, comment pouvons-nous valider leur sortie par des contre-vérifications ? "Ce défi est probablement rencontré dans toutes les démonstrations actuelles d'avantage quantique. Des percées récentes ont apporté une réponse à cette question en utilisant l'idée de preuve cryptographique interactive."'

Les preuves cryptographiques interactives sont essentiellement des protocoles interactifs par le biais desquels un ordinateur classique peut valider un ordinateur quantique beaucoup plus puissant par 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 par des chercheurs de l'UC Berkeley (publiées dans Nature Physics) et de Caltech (publiées dans Journal of the ACM). Dans leur étude récente, l'équipe de Zhu a réalisé une démonstration de principe de ces protocoles en utilisant un ordinateur quantique à piège à ions.

"Nous avons organisé les qubits en plusieurs segments en fonction de leurs fonctions (à quelle étape doivent-ils être lus) tout au long du calcul interactif", explique Zhu. "À chaque étape de lecture, nous avons séparé les segments cibles du reste des qubits et les avons déplacés pour effectuer la lecture. De cette manière, la cohérence/l'information quantique stockée dans les autres segments est préservée pour le reste du calcul."

La procédure suivie par Zhu et son collègue a produit des lectures des segments cibles (c'est-à-dire des 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 intégré avec succès des mesures en cours de circuit dans des circuits quantiques arbitraires avec une fidélité globale suffisamment élevée en utilisant de longues chaînes d'ions", explique Zhu. "Cela pourrait être appliqué à de nombreux autres algorithmes interactifs. D'autre part, notre démonstration, lorsqu'elle est adaptée à des systèmes plus importants, promet la vérification efficace de l'avantage computationnel 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, par rapport à l'algorithme de Shor, qui est également efficacement vérifiable, leur protocole peut être mis en œuvre avec un ordre de grandeur de moins d'opérations de porte quantique.

À l'avenir, le nouveau protocole interactif pourrait être mis en œuvre et évalué dans d'autres expériences. De plus, 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 sommes maintenant intéressés à appliquer des protocoles interactifs à d'autres tâches telles que la génération de nombres aléatoires certifiables, la préparation à distance de l'état et la vérification de calculs quantiques arbitraires", ajoute Zhu. "Expérimentalement, en utilisant la capacité de mesure en cours de circuit, nous sommes également impatients d'explorer de nouveaux phénomènes, comme les transitions de phase d'entrelacement, ainsi que la démonstration de protocoles de rétroaction cohérente, notamment la correction d'erreur quantique."

Journal information: Nature Physics

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