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Les origines improbables du premier ordinateur quantique

Ryan F. Mandelbaum Jan 03, 2019. 0 comments
gizmodo-saturated.png Premiers Cette semaine, nous examinons les premières choses, les premières choses et - pour le meilleur ou pour le pire - les choses qui sont n ° 1.   

Quelques jours plus tard, en 1998, deux équipes ont publié les résultats des premiers calculs quantiques dans le monde réel. Mais les premiers ordinateurs quantiques n'étaient pas du tout des ordinateurs. C’était un équipement de biochimie reposant sur la même science que les appareils d’IRM.

Vous pourriez penser que l’informatique quantique est une course effrénée entre entreprises informatiques pour créer un dispositif de traitement puissant qui rendra l’intelligence artificielle plus réaliste, révolutionnera la médecine et déchiffrera le cryptage qui protège nos données. Et en effet, le prototype des ordinateurs quantiques de la fin des années 90 a indirectement conduit aux ordinateurs quantiques construits par Google et IBM. Mais ce n'est pas comme ça que tout a commencé. Cela a commencé avec les physiciens qui ont bricolé le matériel de mathématiques et de biochimie à des fins de curiosité.

"Ce n'était pas motivé par la fabrication de meilleurs ordinateurs."

«Il n'était nullement motivé par la fabrication de meilleurs ordinateurs», m'a confié Neil Gershenfeld, directeur du Center for Bits and Atoms du MIT et membre de l'une des deux équipes qui ont mis au point expérimentalement des algorithmes quantiques.   «C’était comprendre si l’univers calcule et comment l’univers calcule.»

Les ordinateurs ne sont que des systèmes qui commencent par une entrée abstraite et lui appliquent une série d'instructions afin de recevoir une sortie. Les ordinateurs actuels traduisent les entrées, les instructions et les sorties en commutateurs, appelés bits, égaux à zéro ou à un et dont les valeurs contrôlent les autres commutateurs. Les scientifiques ont longtemps utilisé des ordinateurs pour simuler les lois de la physique, dans l'espoir de mieux comprendre le fonctionnement de l'univers. Par exemple, vous pouvez simuler jusqu'où une balle ira en fonction de son point de départ et de sa vitesse de lancement.

Mais utiliser des bits pour simuler la physique n'avait pas beaucoup de sens pour le célèbre physicien Richard Feynman, car les lois de la physique à la plus petite échelle sont enracinées dans un ensemble de règles appelé mécanique quantique. "La nature n'est pas classique, bon sang, et si vous voulez faire une simulation de la nature, vous feriez mieux de la faire en mécanique quantique", a déclaré Feynman lors d'une conférence en 1981.

Un petit groupe de scientifiques ont théorisé l'utilisation de ces règles pour créer de meilleures simulations au cours de la décennie suivante. Au lieu de commutateurs, les bits de leur simulation quantique sont les ondes de particules doubles de la mécanique quantique. Chaque bit quantique individuel serait toujours limité à deux choix, mais en tant qu'ondes, ils peuvent prendre simultanément l'un ou l'autre de ces états avec des forces variables, interagissant les uns avec les autres, comme des vagues océaniques, amplifiant ainsi la force de certaines combinaisons de choix ou les annulant. . Mais une fois que vous avez mesuré ces bits quantiques, chacun se met immédiatement dans un seul état. Ces forces, ou amplitudes, se traduisent par la probabilité de se retrouver avec chaque résultat.

Au début des années 1990, «les gens pensaient que l'informatique quantique était essentiellement folle, et beaucoup avaient [prétendument] prouvé que cela ne pourrait jamais fonctionner», Jonathan Jones, professeur de physique à l'Université d'Oxford, qui fut l'un des premiers à utiliser des algorithmes quantiques. sur un vrai ordinateur quantique, m'a dit. Principalement, les gens pensaient que c'était simplement une curiosité créée par des physiciens théoriciens qui se demandaient s'ils pouvaient comprendre l'univers lui-même dans le langage informatique. Il semblait également que la complexité de la mécanique quantique - le fait que toute bousculade légère puisse rapidement transformer des qubits fragiles en particules à un seul état - les rendrait impossible à réaliser.

Deux jalons ont brisé ces idées. Le physicien Peter Shor a dévoilé un algorithme en 1994 qui montrait qu'un ordinateur basé sur des qubits pouvait factoriser de grands nombres de manière quasi-exponentielle plus rapidement que les meilleurs algorithmes à base de bits. Si les scientifiques pouvaient inventer un ordinateur quantique suffisamment avancé pour exécuter l'algorithme, il pourrait alors déchiffrer les systèmes de cryptage modernes, en se basant sur le fait qu'il est facile pour un ordinateur classique de multiplier deux grands nombres premiers simultanément, mais très, très difficilement résultat retour en primes. Le deuxième tournant a eu lieu au milieu des années 90, lorsque les physiciens ont commencé à mettre au point une correction des erreurs: l'idée de diffuser une quantité unique d'informations d'un qubit sur une série de qubits corrélés afin de réduire les erreurs.

Mais même après cela, le domaine était restreint et les physiciens à qui nous avons parlé ont discuté de conférences au cours desquelles la plupart des scientifiques du monde de l'informatique quantique pourraient s'organiser ensemble. Des précurseurs de l'informatique quantique, tels que Charlie Bennett, Isaac Chuang, Seth Lloyd et David DiVincenzo, ont proposé de nombreuses idées nouvelles qui ont rapidement fait leur chemin dans la communauté. Presque simultanément, plusieurs groupes indépendants ont réalisé que le secteur de la médecine et de la biochimie utilisait depuis longtemps un ordinateur quantique dans la recherche - spectromètres à résonance magnétique nucléaire ou RMN.

La RMN, la technologie à la base de l'IRM, consiste le plus souvent en une molécule d'intérêt dissoute dans un solvant liquide, placée dans un champ magnétique puissant. Les noyaux des atomes dans ces molécules ont une propriété innée de mécanique quantique appelée «spin», qui est essentiellement la plus petite unité d'information magnétique, et peut être dans l'un des deux états, «up» ou «down». Ces spins s'alignent avec la direction du champ.

En médecine et en biochimie, les scientifiques vont frapper les molécules avec d’autres champs magnétiques oscillants, appelés impulsions radiofréquences, qui permettent aux atomes de libérer des signaux caractéristiques qui offrent des informations physiques sur la molécule. Les machines d'imagerie par résonance magnétique ou IRM utilisent plutôt ce signal pour créer une image. Mais les physiciens ont compris qu’ils pouvaient traiter certaines molécules de ce champ magnétique comme des ordinateurs quantiques, où les noyaux servaient de qubits, les états de spin étant des valeurs qubites et les impulsions de fréquence radio étant à la fois les instructions et les contrôleurs. Celles-ci sont les opérations des ordinateurs quantiques, également appelées portes logiques comme dans les ordinateurs classiques.

"En un sens, la RMN avait en fait une longueur d'avance sur d'autres domaines", a déclaré Jones, un biochimiste qui a fait équipe avec le physicien Michele Mosca pour effectuer l'un des premiers calculs quantiques. «Ils avaient construit des portes logiques dans les années 70. Ils ne savaient tout simplement pas ce qu'ils faisaient et n'appelaient pas cela des portes logiques. "

Des physiciens, dont Chuang, Gershenfeld et David Cory, ont publié des documents expliquant comment réaliser ces dispositifs en 1997. Un an plus tard, deux équipes, l' une composée de Jones et Mosca, et l' autre, de Chuang et Mark Kubinic, appliquaient les algorithmes quantiques. Le premier consistait en molécules de cytosine où deux atomes d'hydrogène avaient été remplacés par des atomes de deutérium - l'hydrogène avec un neutron. Ce dernier utilisait des molécules de chloroforme. Ils ont préparé les qubits dans les états initiaux, ont effectué un calcul en appliquant une impulsion radiofréquence spécialement conçue et ont mesuré les états finaux.

«Ils avaient construit des portes logiques dans les années 70. Ils ne savaient tout simplement pas ce qu'ils faisaient et n'appelaient pas cela des portes logiques. "

Nous n'entendons pas souvent parler d'ordinateurs quantiques à RMN, car même à ce moment-là, les physiciens savaient que la technique avait ses limites, ce que tous les physiciens avec lesquels j'ai parlé ont mentionné. Plus de qubits signifierait plus de molécules spécialement conçues. Les techniques reposaient sur des solutions spéciales telles que chaque bit supplémentaire rendait plus difficile la détection du signal dans le bruit de fond.   "Personne n'a pensé qu'il serait jamais utilisé pour plus d'une démonstration", a déclaré Jones. Ils n'étaient tout simplement pas évolutifs au-delà de quelques qubits.

Pourtant, c'étaient des expériences importantes dont les physiciens parlent encore aujourd'hui. Les machines de RMN restent essentielles à la biochimie et ont toujours une place dans la technologie quantique. Mais ces premiers travaux ont laissé un impact indirect important sur le terrain. La science derrière ces impulsions de fréquence radio a survécu dans les ordinateurs quantiques construits par Google, IBM et d'autres sociétés afin de contrôler leurs qubits. Les ordinateurs quantiques exécutant l'algorithme de Shor sont encore dans des décennies, mais les entreprises ont commencé à dévoiler de véritables dispositifs dotés de dizaines de qubits capables d'effectuer des calculs rudimentaires et clairement quantiques.

Charlie Bennet, boursier d'IBM et vétéran de l'informatique quantique, a expliqué que ces expériences ne constituaient pas d'énormes découvertes. En effet, la communauté de la RMN avait avancé ses propres impulsions scientifiques et radiofréquences avant l'informatique quantique. Les physiciens à qui j'ai parlé ont expliqué que personne ne "gagnait" et qu'il n'y avait pas de "course" à la fin des années 1990. Au lieu de cela, c’était un point de transition sur une voie de progrès incrémentaux, un moment dans lequel des groupes de scientifiques ont fini par se rendre compte que l’être humain possédait la technologie nécessaire pour contrôler les états quantiques et les utiliser pour des calculs.

«La science est toujours comme ça. L'ensemble des preuves est plus important que presque n'importe quel document », a déclaré Bennett. «Il y a des découvertes importantes, mais elles se produisent rarement dans un seul article.»

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