Mal ou méconnue, l’informatique quantique n’est plus un mythe et possède déjà de nombreuses applications concrètes : recherche, chimie, cybersécurité, calculs complexes… tout en continuant à entretenir un grand potentiel théorique. Mais alors, quelles applications du numérique de demain l’informatique quantique peut-elle apporter ? Quels intérêts ont les entreprises à s’intéresser voire à développer des projets autour de cette discipline.Pour explorer cet univers passionnant et aborder les questions et enjeux qui lui sont associés, le groupe ENI proposait jeudi 10 octobre 2024 le 8e ENI Talks intitulé « Informatique quantique : applications du numérique de demain ».
Mal ou méconnue, l’informatique quantique n’est plus un mythe et possède déjà de nombreuses applications concrètes : recherche, chimie, cybersécurité, calculs complexes… tout en continuant à entretenir un grand potentiel théorique. Mais alors, quelles applications du numérique de demain l’informatique quantique peut-elle apporter ? Quels intérêts ont les entreprises à s’intéresser voire à développer des projets autour de cette discipline.Pour explorer cet univers passionnant et aborder les questions et enjeux qui lui sont associés, le groupe ENI proposait jeudi 10 octobre 2024 le 8e ENI Talks intitulé « Informatique quantique : applications du numérique de demain ».
Le développement de machines quantiques de tailles modestes accessibles en ligne permet aujourd'hui de réaliser des expériences sur des calculateurs à distance. L'avantage de l'informatique quantique repose sur des phénomènes strictement non classiques, tels que la superposition et l'intrication, qui sont des ressources maintenant bien connues. Le phénomène non-classique de la contextualité est peut-être moins bien établi bien qu'il ouvre aussi des perspectives très intéressntes à travers de nombreuses applications telles que la cryptographie quantique, les codes d'accès aléatoires, les codes correcteurs d'erreurs et l'avantage du coût de la mémoire pour la simulation des mesures quantiques. L'objectif de cette thèse est triple : développer de nouveaux tests résistants au bruit pour démontrer la contextualité avec des ordinateurs quantiques bruités d'échelle intermédiaire ; concevoir des algorithmes quantiques pour calculer les limites classiques de ces tests, avec une meilleure complexité par rapport aux algorithmes existants ; interpreter les invariants algébriques, utilisés pour distinguer les classes d'intrication, en termes d'observables à base d'opérateurs de Pauli. À ces fins, l'utilisation de configurations géométriques telles que les espaces polaires symplectiques et leurs sous-géométries est largement exploitée, permettant d'établir un lien solide entre le domaine, relativement ancien des géométries finies, et les concepts plus récents de la théorie de l'information quantique. Pour le premier objectif, nous utilisons l'apport de la géométrie pour fournir des tests de contextualité qui violent largement les limites classiques sur tous les ordinateurs quantiques IBM. Ces tests démontrent empiriquement l'absence de modèles à variables cachées non contextuelles décrivant le système sous-jacent. C'est un résultat d'intérêt ontologique. Plus précisément, il s'agit de la première violation connue du jeu de pseudotélépathie de Mermin sur de telles machines, et des plus grandes violations du test de Rio Negro. Concernant le deuxième objectif, nous nous appuyons sur les symétries de nos géométries pour construire un algorithme quantique basé sur l'algorithme de recherche de Grover. Cet algorithme identifie une affectation optimale de variables cachées classiques avec une complexité comparable à l'algorithme de Grover. Un tel avantage algorithmique est intéressant dans une grande famille de problèmes, connus sous le nom de Max Lin 2, où plusieurs contraintes sur un ensemble de données ne peuvent pas être satisfaites simultanément. Ainsi, l'étude de la contextualité - qui peut être vue comme une limitation de la satisfaction logique pour décrire les systèmes physiques - peut apporter de nouvelles perspectives à des problèmes où la satisfaction d'instruction logique simultanée n'est pas viable. Enfin, pour le troisième objectif, nous proposons de nombreuses connexions entre les géométries finies et les invariants algébriques, en commençant par des liens entre les quadrangles généralisés et les invariants cubiques de Cartan, puis en montrant comment les géométries maximalement mixtes permettent de reconstruire les polynômes de Mermin, et finalement en décrivant les sous-ensembles minimaux d'opérateurs de Pauli qui permettent de calculer les hyperdéterminants. On peut ainsi, grâce à ces invariants, identifier la classe d'intrication de systèmes de qubits N=2,3,4 par des mesures sans avoir besoin d'une tomographie complète du système. En résumé dans cette thèse, nous abordons une grande variété de questions à l'intersection de la géométrie finie et de l'informatique quantique - de la conception de tests de contextualité à l'étude de la non-localité à travers des invariants algébriques en passant par le calcul quantique de bornes classiques. Les idées proposées dans ce travail pourront être utiles à la fois pour l'étude des fondements de la mécanique quantique et pour son application à l'informatique quantique.
L'informatique quantique gagne en popularité dans la communauté informatique. La prise de conscience du potentiel de l'informatique quantique a commencée en 1981, lorsque Richard Feynman a imaginé la construction d'un ordinateur quantique. Cependant, le domaine a connu beaucoup de scepticisme quant à ses capacités pratiques à long terme pour résoudre les problèmes. En particulier, les chercheurs tente de relever le défi de construire des ordinateurs quantiques scalables et fiables. Dernièrement, de nombreuses entreprises ont obtenu des résultats encourageants et ont construit des machines quantiques avec suffisamment de qubits pour commencer à mener des expériences intéressantes dessus. Nous avons choisi l'évaluation du pire temps d'exécution (WCET) comme application de nos recherches sur l'informatique quantique, car elle est cruciale pour diverses applications temps réel. L'analyse WCET garantit que le temps d'exécution d'un programme respecte toutes les contraintes d'ordonnancement et de timing. Dans l'histoire des algorithmes quantiques, l'attention a souvent été accordée aux problèmes avec une structure mathématique particulière. L'évaluation des WCET, à l'opposé, n'est pas un problème a priori favorable au contexte quantique, et possède des solutions classiques efficaces déjà éprouvées. Ainsi, il est intéressant d'explorer l'impact de l'informatique quantique sur ce type de problèmes, dans l'esprit de trouver des domaines nouveaux et concrets dans lesquels l'informatique quantique pourrait apporter sa contribution. Si ce n'est pas le cas, la recherche dans ces domaines spécifiques peut aider à définir les limites des applications qui pourraient bénéficier de l'informatique quantique. Cette thèse présente différentes approches quantiques pour effectuer des évaluations WCETs de programmes pour des modèles simplifiés.
Alors que des prototypes d’ordinateur quantique encore très limités voient progressivement le jour, un véritable travail de fourmi s’est enclenché, au sein d’une communauté encore trop restreinte, pour comprendre et maîtriser toutes les facettes du calcul quantique, de la modélisation à la réalisation expérimentale, en passant par la solution algorithmique, son analyse, sa programmation et sa vérification. Dans les années 1980, Richard Feynman suggérait qu’un ordinateur fonctionnant selon les règles de la physique quantique pourrait résoudre des problèmes intraitables par un ordinateur classique. Il faudra attendre 2019 pour que Google effectue un calcul sur un prototype de circuit quantique programmable. Cette prouesse, qui remet en question les fondements de la thèse de Church-Turing, a ouvert la voie à nombre de start-up, grandes entreprises du numérique et gouvernements qui s’orientent peu à peu vers cette technologie à laquelle on prédit de larges champs d’application : intelligence artificielle, cryptographie et sécurité, finance, santé. Un travail de grande ampleur s’est enclenché pour comprendre toutes les facettes du calcul quantique, notamment des algorithmes, et relever le défi de ce nouveau tournant technologique. Informaticien, Frédéric Magniez est directeur de l’Institut de recherche en informatique fondamentale (Irif). Il est professeur invité sur la chaire annuelle Informatique et sciences numériques du Collège de France, créée en partenariat avec l’Inria, pour l’année académique 2020-2021.
Centenaire, la physique quantique a permis des inventions majeures tels le laser ou le transistor, élément de base de nos ordinateurs et smartphones et, par conséquent, de notre civilisation de l’information et de la télécommunication. Désormais, une seconde révolution est en cours, celle de l’information quantique dont l’unité n’est plus le bit mais le bit quantique - dit qubit. Le monde quantique est un univers particulier, celui des particules atomiques et subatomiques, où règnent les probabilités et les concepts de superposition, de non-clonage et d’intrigante intrication. Les progrès parallèles et continus de la recherche et de la technologie ont permis de valider et d’exploiter ces phénomènes, et de développer notre capacité à manipuler des objets quantiques individuels (atomes, électrons, photons) pour y stocker, traiter et lire des qubits. Ces progrès ont conduit à l’émergence d'une nouvelle génération d’appareils, dont certains, déjà commercialisés, pourraient révolutionner des domaines aussi variés que la métrologie, les télécommunications et l’informatique, tant ils surpasseraient les performances des technologies existantes. En métrologie, l’extrême sensibilité des objets quantiques aux influences externes les rend idéaux pour la réalisation de mesures de grandeurs physiques à haute précision, mais certains dispositifs devront être miniaturisés. Les télécommunications cryptées sont dès aujourd’hui sous la menace d’un futur ordinateur quantique dont la puissance de calcul exponentielle pourrait casser les cryptosystèmes actuellement utilisés, mais l’intrication et l’impossibilité de cloner les qubits apporteraient une solution quantique… à la menace quantique Enfin, en exploitant les superposition et intrication de qubits, les ordinateurs quantiques pourraient effectuer des calculs totalement inaccessibles aux supercalculateurs classiques, ce qui profiterait à de nombreuses industries (chimie, énergie, transport…). Cependant, les qubits actuels sont trop bruités et les erreurs de calculs trop nombreuses. Des protocoles de correction sont proposés mais ils nécessiteront l’intégration d’un grand nombre de qubits de meilleure qualité si bien que les ressources nécessaires pour les mettre en place vont bien au-delà des capacités de la technologie existante. En attendant, des solutions matérielles et algorithmiques, adaptables à la situation actuelle, sont explorées pour démontrer un réel avantage quantique sur un cas d’usage pratique.
La recherche en informatique quantique a pris de l’ampleur dans les deux dernières décennies, notamment grâce aux financements massifs des gouvernements et de l’industrie dans les technologies quantiques. L’ordinateur quantique promet de résoudre des problèmes qui jusqu’à présent restaient insurmontables à cause du temps déraisonnable qu’il faudrait pour les résoudre sur les ordinateurs classiques les plus puissants. L’idée de l’ordinateur quantique consiste à utiliser des propriétés quantiques de la matière, telles que l’intrication et la superposition quantique des états, pour effectuer des calculs d’une nouvelle manière. L’informatique quantique requiert un nouveau type d’ordinateur où les bits d’information classique, généralement représentés par la présence ou non de courant à l’entrée d’un transistor, sont remplacés par des bits quantiques aussi appelés qubits, et qui sont représentés par l’état d’un système quantique. De plus, il est nécessaire de développer de nouveaux algorithmes capables d’être implémentés sur un ordinateur quantique et capables de tirer parti de l’avantage quantique. Cette thèse porte sur ces deux composantes complémentaires : la construction de portes logiques, un bloc fondamental de tout ordinateur, et la création de meilleurs algorithmes pour résoudre des problèmes pertinents sur ces machines. Parmi les plateformes les plus avancées pour l’ordinateur quantique, on trouve les circuits supraconducteurs, qui sont la plateforme sur laquelle ont misé Google, IBM, Alice&Bob, Nord Quantique et bien d’autres compagnies. Malgré les avancées des dernières décennies, de nombreux défis restent à être relevés pour que les machines existantes soient en mesure de résoudre des problèmes pertinents et surpassent les ordinateurs classiques. L’un des défis auquel cette thèse s’attaque est la réalisation de portes logiques à deux qubits rapides et à haute fidélité. La rapidité est cruciale pour pouvoir réaliser le plus d’opérations possible avant que les qubits ne perdent leur cohérence quantique, et une haute fidélité est requise pour minimiser les erreurs de calcul et permettre d’implémenter de la correction d’erreurs quantiques. De plus, certains qubits supraconducteurs sont connus pour être affectés par une interaction indésirable, l’interaction ZZ qui, même si relativement faible, affecte la fidélité des portes logiques quantiques, empêchant d’atteindre des fidélités supérieures à 99.9% nécessaires à la correction d’erreurs. En parallèle avec l’amélioration des composantes de l’ordinateur quantique, il est important de développer des applications pour ce nouveau type de machine. Parmi les approches étudiées, les algorithmes quantiques variationnels (VQA) sont ceux qui sont les plus susceptibles d’être déployés sur les ordinateurs quantiques de petites tailles existants. Ce sont des algorithmes hybrides qui nécessitent à la fois de la puissance de calcul classique et quantique. Ces algorithmes semblent prometteurs pour résoudre de nombreux problèmes concrets d’intérêt industriel, comme obtenir les propriétés de molécules ou trouver les solutions de problèmes d’optimisation combinatoire. En effet, ces problèmes peuvent être formulés sous forme d’un Hamiltonien et résolus en déterminant son état fondamental. Dans ce but, les VQAs utilisent un circuit quantique paramétré appelé ansatz, dont les paramètres sont optimisés pour s’approcher de l’état fondamental. Un premier défi consiste à trouver un ansatz qui permette, pour un problème donné, de converger le plus efficacement possible vers la solution. Un deuxième défi est de trouver un circuit fait de portes logiques facilement implémentables sur les plateformes physiques actuelles. Les travaux effectués dans cette thèse apportent des contributions à ces deux défis. Dans la première partie de la thèse, nous introduisons le dispositif que nous avons conçu et qui permet de réaliser des portes d’intrication paramétrique entre deux qubits supraconducteurs. Cette approche a permis à nos collaborateurs du groupe d’Andrew Houck de l’Université de Princeton de réaliser expérimentalement une opération de type √iSWAP en 15 ns avec une fidélité de 98.8%, et ce dans un dispositif où l’interaction ZZ est supprimée. Dans la seconde partie de la thèse, nous avons développé un ansatz pour les VQAs permettant de résoudre le modèle de Fermi Hubbard. Ce nouvel ansatz utilise les avantages de deux ansätze préexistants, et permet d’obtenir l’énergie et l’état fondamental du FHM avec une précision de plusieurs ordres de grandeur supérieure aux ansätze standards, et ce en réduisant significativement le nombre de portes d’intrication CNOT qui sont généralement imparfaites et longues à implémenter.
Actualites Actualites Actualites 20 ◗ REE N°2/2021 20 ◗ REE N°1/2021 Cette page d’actualite est entiere- ment consacree aux travaux d’IBM en informatique quantique et s’ins- crit dans une chronique dans la- quelle d’autres acteurs du domaine seront evoques ulterieurement. Contexte de l’informatique quantique L’informatique et le calcul quantique sont nes il y a plus de trente ans dans l’esprit d’un des plus brillants physi- ciens du XXeme siecle, Richard Feyn- man. L’idee a progresse dans l’esprit de quelques physiciens, plutot mathe- maticiens, durant une dizaine d‘annees mais pas dans le monde des physi- ciens en general ni dans l’industrie et le grand public. En 1995 un chercheur des Bell Labs Peter Shor a publie un article fondateur dans lequel etait pre- sente un algorithme de factorisation d’entiers utilisant les lois et les outils du calcul quantique. Or le probleme de la factorisation etait et est toujours un probleme d’informatique repute diffi- cile qui repose sur une propriete ma- thematique qui protege la violation du chiffrage asymetrique RSA utilise dans les communications securisees. De- puis, de n