Méthode pour approfondir la compréhension de l’espace des états quantiques.
En 2019, Google a affirmé avoir été le premier à démontrer un ordinateur quantique effectuant unedes supercalculateurs les plus puissants d’aujourd’hui.
Mais la plupart du temps, la création d’un algorithme quantique ayant une chance de battre un ordinateur classique est un processus accidentel, affirment les scientifiques de l’Université Purdue. Pour mieux guider ce processus et le rendre moins arbitraire, ces scientifiques ont développé une nouvelle théorie qui pourrait éventuellement conduire à une conception plus systématique d’algorithmes quantiques.
La nouvelle théorie, décrite dans un article publié dans la revueTechnologies quantiques avancées, est la première tentative connue visant à déterminer quels états quantiques peuvent être créés et traités avec un nombre acceptable de portes quantiques pour surpasser un algorithme classique.
Les physiciens appellent ce concept consistant à disposer du bon nombre de portes pour contrôler chaque état la « complexité ». Puisque la complexité d’un algorithme quantique est étroitement liée à la complexité des états quantiques impliqués dans l’algorithme, la théorie pourrait donc mettre de l’ordre dans la recherche d’algorithmes quantiques en caractérisant quels états quantiques répondent à ces critères de complexité.
Un algorithme est une séquence d'étapes pour effectuer un calcul. L'algorithme est généralement implémenté sur un circuit.
Dans les ordinateurs classiques, les circuits ont des portes qui font passer les bits à l'état 0 ou 1. Un ordinateur quantique s’appuie plutôt sur des unités de calcul appelées « qubits » qui stockent simultanément les états 0 et 1 en superposition, permettant ainsi de traiter davantage d’informations.
Ce qui rendrait un ordinateur quantique plus rapide qu'un ordinateur classique, c'est un traitement de l'information plus simple, caractérisé par l'énorme réduction du nombre de portes quantiques dans un circuit quantique par rapport à un circuit classique.
Dans les ordinateurs classiques, le nombre de portes dans les circuits augmente de façon exponentielle par rapport à la taille du problème qui nous intéresse. Ce modèle exponentiel croît si étonnamment vite qu’il devient physiquement impossible de traiter même un problème d’intérêt de taille moyenne.
"Par exemple, même une petite molécule de protéine peut contenir des centaines d'électrons. Si chaque électron ne peut prendre que deux formes, alors pour simuler 300 électrons, il faudrait 2300états classiques, soit plus que le nombre de tous les atomes de l’univers », a déclaré Saber Kais, professeur au département de chimie de Purdue et membre du Purdue Quantum Science and Engineering Institute.
Pour les ordinateurs quantiques, il existe un moyen pour les portes quantiques d’évoluer de manière « polynomiale » – plutôt que simplement exponentielle comme un ordinateur classique – avec la taille du problème (comme le nombre d’électrons dans le dernier exemple). « Polynomial » signifie qu'il y aurait considérablement moins d'étapes (portes) nécessaires pour traiter la même quantité d'informations, ce qui rendrait un algorithme quantique supérieur à un algorithme classique.
Jusqu’à présent, les chercheurs ne disposaient pas d’un bon moyen d’identifier quels états quantiques pourraient satisfaire à cette condition de complexité polynomiale.
"Il existe un très grand espace de recherche pour trouver les états et la séquence de portes qui correspondent en complexité pour créer un algorithme quantique utile capable d'effectuer des calculs plus rapidement qu'un algorithme classique", a déclaré Kais, dont le groupe de recherche développe des algorithmes quantiques et des algorithmes quantiques.apprentissage automatiqueméthodes.
Kais et Zixuan Hu, un associé postdoctoral de Purdue, ont utilisé la nouvelle théorie pour identifier un grand groupe d'états quantiques présentant une complexité polynomiale. Ils ont également montré que ces états pouvaient partager une caractéristique de coefficient qui pourrait être utilisée pour mieux les identifier lors de la conception d’un algorithme quantique.
"Étant donné n'importe quel état quantique, nous sommes désormais en mesure de concevoir une procédure efficace d'échantillonnage par coefficients pour déterminer s'il appartient ou non à cette classe", a déclaré Hu.
Référence : « Caractérisation des états quantiques basés sur la complexité de la création » par Zixuan Hu et Saber Kais, 28 août 2020,Technologies quantiques avancées.
DOI: 10.1002/qute.202000043
Ce travail est soutenu par le Département américain de l’énergie (Office of Basic Energy Sciences) sous le numéro DE-SC0019215. Le Purdue Quantum Science and Engineering Institute fait partie du Purdue’s Discovery Park.
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Méthode pour approfondir la compréhension de l’espace des états quantiques.
En 2019, Google a affirmé avoir été le premier à démontrer un ordinateur quantique effectuant unedes supercalculateurs les plus puissants d’aujourd’hui.
Mais la plupart du temps, la création d’un algorithme quantique ayant une chance de battre un ordinateur classique est un processus accidentel, affirment les scientifiques de l’Université Purdue. Pour mieux guider ce processus et le rendre moins arbitraire, ces scientifiques ont développé une nouvelle théorie qui pourrait éventuellement conduire à une conception plus systématique d’algorithmes quantiques.
La nouvelle théorie, décrite dans un article publié dans la revueTechnologies quantiques avancées, est la première tentative connue visant à déterminer quels états quantiques peuvent être créés et traités avec un nombre acceptable de portes quantiques pour surpasser un algorithme classique.
Les physiciens appellent ce concept consistant à disposer du bon nombre de portes pour contrôler chaque état la « complexité ». Puisque la complexité d’un algorithme quantique est étroitement liée à la complexité des états quantiques impliqués dans l’algorithme, la théorie pourrait donc mettre de l’ordre dans la recherche d’algorithmes quantiques en caractérisant quels états quantiques répondent à ces critères de complexité.
Un algorithme est une séquence d'étapes pour effectuer un calcul. L'algorithme est généralement implémenté sur un circuit.
Dans les ordinateurs classiques, les circuits ont des portes qui font passer les bits à l'état 0 ou 1. Un ordinateur quantique s’appuie plutôt sur des unités de calcul appelées « qubits » qui stockent simultanément les états 0 et 1 en superposition, permettant ainsi de traiter davantage d’informations.
Ce qui rendrait un ordinateur quantique plus rapide qu'un ordinateur classique, c'est un traitement de l'information plus simple, caractérisé par l'énorme réduction du nombre de portes quantiques dans un circuit quantique par rapport à un circuit classique.
Dans les ordinateurs classiques, le nombre de portes dans les circuits augmente de façon exponentielle par rapport à la taille du problème qui nous intéresse. Ce modèle exponentiel croît si étonnamment vite qu’il devient physiquement impossible de traiter même un problème d’intérêt de taille moyenne.
"Par exemple, même une petite molécule de protéine peut contenir des centaines d'électrons. Si chaque électron ne peut prendre que deux formes, alors pour simuler 300 électrons, il faudrait 2300états classiques, soit plus que le nombre de tous les atomes de l’univers », a déclaré Saber Kais, professeur au département de chimie de Purdue et membre du Purdue Quantum Science and Engineering Institute.
Pour les ordinateurs quantiques, il existe un moyen pour les portes quantiques d’évoluer de manière « polynomiale » – plutôt que simplement exponentielle comme un ordinateur classique – avec la taille du problème (comme le nombre d’électrons dans le dernier exemple). « Polynomial » signifie qu'il y aurait considérablement moins d'étapes (portes) nécessaires pour traiter la même quantité d'informations, ce qui rendrait un algorithme quantique supérieur à un algorithme classique.
Jusqu’à présent, les chercheurs ne disposaient pas d’un bon moyen d’identifier quels états quantiques pourraient satisfaire à cette condition de complexité polynomiale.
"Il existe un très grand espace de recherche pour trouver les états et la séquence de portes qui correspondent en complexité pour créer un algorithme quantique utile capable d'effectuer des calculs plus rapidement qu'un algorithme classique", a déclaré Kais, dont le groupe de recherche développe des algorithmes quantiques et des algorithmes quantiques.apprentissage automatiqueméthodes.
Kais et Zixuan Hu, un associé postdoctoral de Purdue, ont utilisé la nouvelle théorie pour identifier un grand groupe d'états quantiques présentant une complexité polynomiale. Ils ont également montré que ces états pouvaient partager une caractéristique de coefficient qui pourrait être utilisée pour mieux les identifier lors de la conception d’un algorithme quantique.
"Étant donné n'importe quel état quantique, nous sommes désormais en mesure de concevoir une procédure efficace d'échantillonnage par coefficients pour déterminer s'il appartient ou non à cette classe", a déclaré Hu.
Référence : « Caractérisation des états quantiques basés sur la complexité de la création » par Zixuan Hu et Saber Kais, 28 août 2020,Technologies quantiques avancées.
DOI: 10.1002/qute.202000043
Ce travail est soutenu par le Département américain de l’énergie (Office of Basic Energy Sciences) sous le numéro DE-SC0019215. Le Purdue Quantum Science and Engineering Institute fait partie du Purdue’s Discovery Park.
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