Ce nouveau processeur quantique est fait de lumière

Les experts ne savent toujours pas quel matériau constituera le meilleur ordinateur quantique, mais un candidat obscur gagne du terrain: la lumière infrarouge. Plus tôt ce mois-ci, la start-up d’informatique quantique Xanadu, basée à Toronto, au Canada, a mis deux de ses soi-disant ordinateurs quantiques photoniques sur le cloud – les premiers appareils de ce type disponibles dans le commerce.

Les ordinateurs de Xanadu se composent chacun d’une puce de silicium de la taille d’une vignette, avec respectivement 8 et 12 faisceaux laser infrarouges. Pour exécuter un algorithme, l’ordinateur utilise soigneusement les faisceaux pour réfléchir, combiner et interagir de manière contrôlée. Vous pouvez considérer la puce comme une sorte de boulier, où la puce résout les problèmes mathématiques en manipulant des faisceaux laser au lieu de perles en bois. Pour faire de l’arithmétique sur un abaque, vous déplacez les perles selon un ensemble de règles et comptez le nombre de perles résultant dans chaque rangée pour obtenir la réponse. De même, dans l’ordinateur quantique de Xanadu, vous interagissez avec chaque faisceau de lumière et trouvez la réponse à votre problème en comptant le nombre de photons résultant dans chaque faisceau. Mais contrairement aux perles, ces photons suivent les règles de la mécanique quantique, permettant des mathématiques beaucoup plus complexes que l’addition et la soustraction. Les experts en informatique quantique pensent que ces appareils devraient être capables de résoudre certains problèmes mathématiques pertinents pour l’entreprise plus rapidement que les ordinateurs conventionnels, bien qu’ils n’aient pas encore démontré de manière concluante ces affirmations.

Actuellement, le matériau dont est fait un ordinateur quantique prédétermine ce à quoi cette machine est bonne. Tout comme il est plus facile de construire des structures carrées avec des Legos et des blobs amorphes avec Play-Doh, un ordinateur quantique fait de lumière peut résoudre certains problèmes mathématiques plus facilement qu’un ordinateur quantique fait de circuits supraconducteurs (comme celui de Google), et vice versa. «L’ensemble des problèmes que vous pouvez résoudre sur notre cloud est littéralement différent de n’importe qui d’autre», a déclaré Christian Weedbrook, PDG de Xanadu, physicien de formation.

Les chercheurs travaillant à Xanadu ont identifié divers cas d’utilisation dans les affaires et la chimie où les ordinateurs quantiques pourraient offrir plus de capacités que l’informatique conventionnelle. Par exemple, leurs appareils devraient être capables de résoudre les instances actuellement insolubles du problème dit de sous-graphe le plus dense, où l’utilisateur essaie d’identifier quel nœud d’un réseau a le plus de connexions. «Vous pouvez penser à trouver le plus grand influenceur dans un réseau de médias sociaux», a déclaré Weedbrook. Mis à part les selfies et les hashtags, le problème de sous-graphe le plus dense a également des applications en biologie et en médecine, où, par exemple, les chercheurs tentent de comprendre comment des réseaux complexes de protéines interagissent dans le corps humain. Weedbrook a déclaré que Xanadu vise à démontrer l’avantage quantique de ses appareils dans une application commerciale l’année prochaine.

N’importe qui peut demander du temps sur les ordinateurs, bien que Xanadu donne la priorité aux chercheurs des laboratoires gouvernementaux, des sociétés multinationales et des institutions multi-utilisateurs. Plus de 250 personnes ont déjà demandé à utiliser les appareils de Xanadu, selon Weedbrook. Une fois approuvé, un utilisateur reçoit un jeton numérique pour se connecter à l’ordinateur via la plate-forme logicielle de Xanadu, Strawberry Fields, où il peut exécuter du code Python sur l’appareil quantique à distance.

La conception matérielle de Xanadu offre d’autres avantages. Par exemple, il est relativement simple de connecter les ordinateurs de Xanadu à l’aide de fibres optiques conventionnelles car ils utilisent une lumière infrarouge, la même que l’infrastructure de télécommunications existante. Cela pourrait simplifier les schémas Internet quantiques, proposés dans au moins une décennie, pour relier plusieurs appareils quantiques dans le monde. De plus, les ordinateurs quantiques photoniques devraient théoriquement pouvoir fonctionner à température ambiante, même si actuellement Xanadu doit encore refroidir cryogéniquement son compteur de photons.

Cependant, en raison de limitations matérielles, la machine de Xanadu est actuellement équipée pour exécuter uniquement un ensemble spécifique d’algorithmes, a déclaré la physicienne Giulia Ferrini de l’Université de technologie Chalmers en Suède, qui recherche des algorithmes pour les ordinateurs quantiques photoniques et n’est pas affiliée à Xanadu.. Le but ultime de l’industrie de l’informatique quantique est de construire un ordinateur quantique dit universel, capable de résoudre un large éventail de problèmes. L’ordinateur de Xanadu «est un premier pas», dit-elle.

Parce qu’il utilise la lumière, l’ordinateur de Xanadu exploite les propriétés quantiques des photons distinctes des autres ordinateurs quantiques disponibles dans le commerce. Par exemple, l’ordinateur exploite le principe d’incertitude de Heisenberg, qui dit que la nature est intrinsèquement imprécise, d’une manière unique. Si vous mesurez précisément la vitesse d’un photon, vous sacrifiez la précision en connaissant son emplacement, par exemple. Pour effectuer ses calculs, un appareil Xanadu contrôle quelles propriétés de la lumière sont incertaines, une technique connue sous le nom de «compression». De plus, l’étrangeté de la mécanique quantique est également évidente lorsque l’ordinateur compte les photons dans chaque faisceau laser. Avant que l’ordinateur ne compte les photons, le nombre de particules dans le faisceau n’est pas défini – la lumière contient en fait une superposition de 1, 10 et 20 photons, par exemple. Comme le chat de Schrödinger, qui n’est vivant ou mort que lorsque vous le regardez, le nombre de photons dans le faisceau n’est défini que lorsque vous les comptez.

La conception de Xanadu contraste avec tous les autres ordinateurs quantiques disponibles dans le commerce, qui sont basés sur l’architecture dite de qubit, ou bit quantique. Contrairement à un bit classique, qui représente une information comme 1 ou 0, un bit quantique est une superposition de 1 et 0, comme une pièce de monnaie qui saute dans les airs n’est ni tête ni queue mais une certaine probabilité des deux. Mais l’ordinateur de Xanadu n’utilise pas du tout les 1 et les 0. Au lieu de cela, il utilise les propriétés de la lumière (l’intensité et l’heure à laquelle un faisceau est émis pour la première fois) qui peuvent prendre n’importe quelle valeur.

Pour rester cohérent avec le jargon du reste de l’industrie, Xanadu se réfère à chaque faisceau lumineux sur sa puce comme un qubit, mais techniquement, ce ne sont pas du tout des qubits. Dans le jargon de l’informatique quantique, chaque faisceau lumineux est ce qu’on appelle un «qumode», abréviation de «mode quantique», où «Mode» est un mot de fantaisie pour la lumière dont les propriétés ondulatoires présentent des motifs spécifiés. Une telle conception est connue sous le nom d’architecture à variable continue.

Les appareils de Xanadu marquent le début d’une nouvelle façon de faire des mathématiques en utilisant la mécanique quantique. «Je pense que cet ordinateur quantique suscitera un intérêt supplémentaire dans la communauté plus large de la technologie quantique pour ces architectures à variation continue», a déclaré Ferrini. Les appareils de Xanadu peuvent conférer une légitimité à d’autres chercheurs qui tentent de construire des ordinateurs quantiques à variation continue utilisant le rayonnement micro-ondes au lieu de la lumière infrarouge.

Xanadu demande à ses clients de déterminer le rôle que ces ordinateurs peuvent jouer à l’avenir. Des chercheurs du Oak Ridge National Laboratory, par exemple, ont acheté l’accès aux appareils de Xanadu afin de concevoir la prochaine génération de superordinateurs. Ils pensent que les futurs supercalculateurs pourraient contenir une puce de calcul quantique – un «QPU» ou unité de traitement quantique – dédiée à l’exécution rapide de tâches spécialisées, a déclaré Travis Humble, informaticien quantique à Oak Ridge. Dans leurs efforts pour concevoir un QPU, Oak Ridge a également acheté l’accès à d’autres ordinateurs quantiques commerciaux, tels que des appareils fabriqués par IBM, D-Wave, Rigetti – «autant que nous pouvons mettre la main sur», a déclaré Humble.

Certes, les nouveaux appareils de Xanadu font toujours partie de l’adolescence de l’informatique quantique, une ère que les experts appellent NISQ, pour Noisy Intermediate-Scale Quantum Computing. Les machines NISQ fonctionnent de manière limitée, et on ne sait toujours pas comment les machines s’intégreront à la technologie existante et à quoi elles serviront. «C’est comme quand vous faites une poussée de croissance quand vous êtes jeune, que vous dépassez tous vos vêtements et que vous devenez maladroit», a déclaré Humble. «L’informatique quantique est sur le point d’atteindre son prochain plateau de développement.»