DARPA Sonder les capacités d'informatique quantique

Guerre algorithmique : la DARPA teste les capacités de calcul quantique


Un chercheur du GTRI travaille sur un ordinateur quantique.

Sean McNeil/GTRI photo

La Defense Advanced Research Projects Agency a récemment financé la deuxième phase d’un projet d’informatique quantique qui vise à étendre l’utilité des technologies émergentes, selon l’un des principaux chercheurs du projet.

La deuxième phase du projet dirigé par le Georgia Tech Research Institute a reçu un financement de 9,2 millions de dollars pour permettre aux scientifiques de mener des expériences supplémentaires sur un système informatique quantique configuré pour potentiellement enchaîner plus d’unités de calcul que jamais.

Le projet DARPA – Optimization with Noisy Intermediate-Scale Quantum devices – vise à “démontrer l’avantage quantitatif du traitement de l’information quantique en dépassant les performances des systèmes uniquement classiques pour résoudre les problèmes d’optimisation”.

Le chercheur Creston Herold a déclaré que l’un des problèmes classiques d’optimisation que les systèmes informatiques quantiques pourraient résoudre s’appelle le voyageur de commerce.

“Un problème célèbre est ce problème de vendeur itinérant, où vous avez une liste d’adresses dont vous avez besoin pour prendre un chemin et des colis pour la livraison, par exemple”, a-t-il déclaré. “Et vous voulez trouver l’itinéraire le plus efficace, que ce soit en temps ou en distance parcourue, ou le moins de virages à gauche effectués, ou au moins le carburant utilisé.”

Ce type de problème apparaît dans une grande variété de problèmes logistiques dans le domaine de la défense et d’autres affaires gouvernementales, a-t-il noté.

Les ordinateurs quantiques utilisent des unités de base appelées qubits plutôt que des 1 et des 0 comme les ordinateurs traditionnels. Sa puissance de calcul découle de la possibilité pour chaque qubit d’être à la fois 1 et 0 simultanément, plutôt que d’être limité à l’un ou à l’autre. En conséquence, un ordinateur quantique pourrait exécuter des algorithmes plus compliqués et fonctionner beaucoup plus rapidement qu’un ordinateur traditionnel.

Cette recherche vise à aller au-delà de la plupart des progrès de l’informatique quantique réalisés jusqu’à présent, a expliqué Herold. Les ordinateurs quantiques existent aujourd’hui, mais ils sont aussi gros que les premiers ordinateurs traditionnels et n’ont pas encore développé la puissance de calcul pour rivaliser avec leurs homologues conventionnels.

Alors que la plupart des systèmes informatiques quantiques utilisent des pièges magnétiques pour isoler les ions, l’un des chercheurs de l’équipe, Brian McMahon, a développé une configuration « unique » optimisée pour un processus plus efficace.

Le processus de piégeage – appelé piège de Penning – utilise une combinaison d’un champ magnétique et d’un champ électrique pour confiner des cristaux d’ions bidimensionnels qui effectuent des opérations quantiques.

“L’utilisation de terres rares est en fait dans les aimants permanents, qui forment le piège”, a déclaré Herold. « Il existe des aimants comme le néodyme ou le samarium cobalt. Ce sont des aimants très, très puissants.

Le piège utilise ces métaux de terres rares à la place des “aimants supraconducteurs volumineux et cryo-refroidis”, selon l’équipe.

L’équipe a déjà effectué 18 mois d’essais et d’expériences. Pendant ce temps, les chercheurs ont construit une chaîne ionique d’une longueur de 10 qubits. Un qubit est l’une des plus petites unités d’un système informatique quantique.

Herold a déclaré que construire les bases de la recherche avec la chaîne courte est un début pour la recherche, mais qu’en fin de compte, cela ira beaucoup plus loin.

“Il s’agissait vraiment de tester le schéma de contrôle et de montrer que cette façon de faire fonctionner l’appareil résoudrait ces problèmes comme prévu”, a-t-il déclaré.

L’ajout de milliers de systèmes quantiques supplémentaires à la chaîne permettrait à l’ordinateur de calculer des solutions plus précises, a déclaré Herold. Sans ajouter beaucoup plus de systèmes, l’ordinateur quantique aurait à peu près la même puissance qu’une machine classique, a-t-il déclaré.

“Au début du projet, nous savions que nous aurions besoin de centaines de qubits pour vraiment faire avancer la résolution d’un problème important”, a-t-il déclaré. “Nous pouvons toujours simuler tout ce qui se passe sur un appareil quantique, et il est tout simplement trop petit pour attaquer un problème d’optimisation suffisamment important pour que nous ne connaissions pas déjà facilement la réponse.”

Mais cela ne signifie pas que l’informatique traditionnelle ne joue pas un rôle dans le projet. Les chercheurs utilisent du matériel informatique classique pour guider le matériel quantique vers un meilleur point de départ, de sorte que le système n’a pas à vérifier toutes les solutions possibles.

“La nature classique de celui-ci est que nous utilisons un processus classique pour surveiller en quelque sorte le matériel quantique et décider quoi faire ensuite”, a déclaré Herold.

Aussi prometteur que le projet se soit avéré jusqu’à présent, les chercheurs sont toujours confrontés à des défis techniques de taille. Par exemple, plus le système quantique devient complexe, plus il est susceptible d’avoir un taux d’erreur important causé par le «bruit» – un terme signifiant une interférence avec l’état des qubits dans l’ordinateur quantique.

L’équipe de recherche comprend des scientifiques du laboratoire national d’Oak Ridge, qui y utilisent un superordinateur pour cartographier la meilleure voie pour minimiser le bruit dans le système quantique à mesure qu’il est mis à l’échelle.

“Avec le matériel quantique, nous luttons toujours contre le bruit, et à un moment donné, il y aura trop d’erreurs que nous ne pourrons pas réellement agrandir le matériel”, a déclaré Herold.

Alors qu’une partie de la recherche consiste à trouver comment atténuer les erreurs, la quantité de bruit finira par limiter le nombre de qubits de la chaîne et donc la complexité du système, a-t-il expliqué.

Cependant, si les chercheurs peuvent trouver des solutions à ces défis pour les expériences, les résultats seront significatifs dans toutes les industries, a déclaré Herold.

“Ce projet montrera que de plus grandes collections de qubits peuvent résoudre les problèmes d’optimisation et d’une meilleure manière que nous ne le savons actuellement, et cela aurait un impact vraiment transformateur sur la façon dont ces problèmes sont résolus”, a-t-il déclaré.

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