Google affirme une fois de plus qu'un ordinateur quantique a surpassé un supercalculateur. Si seulement cela pouvait être prouvé…

« L’ordinateur quantique fait face à une concurrence féroce », déclare Andreas Wallraff. Ce physicien quantique de l’ETH Zurich sait de quoi il parle : il travaille à améliorer les ordinateurs quantiques afin qu’ils puissent un jour résoudre en quelques minutes des tâches qui prendraient des années aux supercalculateurs actuels.

Du moins, c'est la promesse que font les développeurs d'ordinateurs quantiques depuis des années. Google a affirmé à plusieurs reprises ces dernières années que ses ordinateurs quantiques résolvaient des problèmes spécifiques plus rapidement que les ordinateurs classiques, obtenant ainsi un avantage quantique. Récemment , l'entreprise a annoncé sur son blog de recherche que sa puce quantique « Willow » avait résolu une tâche 13 000 fois plus vite que le deuxième supercalculateur le plus rapide au monde. L'algorithme peut être utilisé, par exemple, pour calculer des propriétés moléculaires telles que les distances atomiques.

D'autres, comme la société canadienne D-Wave Systems, ont également revendiqué des avantages quantiques. Cependant, ces affirmations ont rapidement été réfutées. Soit les chercheurs ont démontré que des algorithmes classiques améliorés étaient tout aussi rapides, soit les tâches étaient sans application pratique. La dernière affirmation de Google concernant un avantage quantique fait également l'objet de critiques : un expert souligne l'existence d'une méthode d'IA qui pourrait probablement résoudre le problème tout aussi rapidement et que l'équipe de Google a négligée dans sa comparaison.

L'engouement autour des ordinateurs quantiques n'est-il que du vent ? Non, affirme Scott Aaronson : « C'est le processus scientifique normal : certains affirment avoir un avantage quantique, d'autres tentent de le réfuter », explique cet informaticien de l'Université du Texas, qui suit de près la recherche en informatique quantique. « Un avantage quantique doit être considéré comme une hypothèse falsifiable », écrivent Olivia Lanes et ses collègues d'IBM . Dans un article, ils expliquent ce que signifie réellement « avantage quantique » et comment il peut être prouvé. Ces questions font elles-mêmes l'objet de recherches.

« L’avantage quantique signifie qu’un ordinateur quantique résout un problème plus efficacement, c’est-à-dire plus rapidement ou à moindre coût », explique Andreas Wallraff. « La référence, ce sont les supercalculateurs les plus puissants. Le niveau d’exigence est donc très élevé. » Si les supercalculateurs deviennent toujours plus rapides, les physiciens continuent de s’attaquer au problème de la propension aux erreurs des qubits, les plus petites unités de calcul des ordinateurs quantiques.

Il n'est pas encore possible de corriger les erreurs avec suffisamment d'efficacité grâce à l'ajout de qubits pour que les ordinateurs quantiques fonctionnent de manière stable sur de longues périodes. Cela limite considérablement leurs performances. Par conséquent, les comparer à des supercalculateurs est quelque peu injuste, un peu comme comparer une voiture de course aboutie à un prototype.

Malgré les limitations inhérentes aux qubits, les chercheurs s'efforcent de réaliser des calculs utiles. Ils ciblent des tâches pour lesquelles les ordinateurs classiques peinent, mais où les ordinateurs quantiques excellent. Il s'agit notamment des simulations de chimie quantique de molécules pour le développement de médicaments ou des problèmes d'optimisation dans la logistique et les transports. Outre de nombreux groupes de recherche universitaires, plus de 200 start-ups à travers le monde travaillent sur les ordinateurs quantiques. Pour elles, un avantage quantique avéré serait une opportunité de se démarquer.

Scott Aaronson déplore que des « affirmations mensongères » soient faites, par exemple, qu'un avantage quantique ait été prouvé. Or, cela est difficilement envisageable, faute de critères d'évaluation établis. Il en résulte toujours une marge d'interprétation.

« Pour confirmer un avantage quantique, il est possible de reproduire le résultat sur l’ordinateur quantique d’une autre équipe », explique Wallraff. « Mais tout le monde n’a pas accès à un équipement aussi performant que celui de Google. » De plus, les différentes équipes utilisent des technologies différentes : boucles supraconductrices, atomes neutres, ions, semi-conducteurs… Cela complique également la reproduction des résultats.

Les développeurs tentent de démontrer l'avantage quantique en demandant à une équipe interne d'experts de tester les performances de leur propre algorithme à l'aide de méthodes classiques – le développeur endossant ainsi le rôle de ses propres critiques. Google, par exemple, aurait investi dix années-personnes dans le test de neuf algorithmes classiques. Cela l'a amené à conclure que la puce quantique « Willow » résout le problème 13 000 fois plus vite. Cependant, Wallraff souligne que cela ne reflète que l'état actuel de la recherche. « D'autres peuvent développer des algorithmes classiques plus rapides à tout moment ; la compétition est permanente. »

La méthode la plus fiable pour vérifier un avantage quantique est sans doute la comparaison avec l'expérimentation : les propriétés moléculaires peuvent être mesurées en laboratoire. Pour tester les simulations sur la puce quantique de Google, des chercheurs de l'Université de Californie à Berkeley ont déterminé les distances entre les atomes d'hydrogène de deux molécules organiques par résonance magnétique nucléaire. Ces mesures concordent avec les valeurs calculées par « Willow ».

Cependant, l'expérience a porté sur de petites molécules, dont la simulation est également possible avec des ordinateurs classiques. Pour les molécules plus grandes, où l'avantage quantique pourrait être démontré, « Willow » reste encore trop sujet aux erreurs.

Pour Dieter Kranzlmüller, la comparaison avec les ordinateurs classiques est secondaire. Le Centre de supercalcul Leibniz, près de Munich, qu'il dirige, a couplé l'ordinateur quantique de la start-up germano-finlandaise IQM à son supercalculateur. « Le supercalculateur devrait toujours accéder à l'ordinateur quantique lorsque ce dernier est plus performant », explique Kranzlmüller, par exemple pour des sous-tâches de mécanique quantique. Si un avantage quantique se manifeste, des normes seront rapidement établies pour le déterminer précisément, estime Kranzlmüller.

Il considère cette compétition comme productive : « Les précédentes affirmations concernant un avantage quantique ont souvent démontré que les algorithmes classiques peuvent également être accélérés », explique l’informaticien. « Le simple fait de mener des recherches fondamentales sur les ordinateurs quantiques nous permet d’apprendre énormément de choses qui s’appliquent aussi aux ordinateurs conventionnels. »

Scott Aaronson partage un avis similaire. Les ordinateurs quantiques à correction d'erreurs pourraient permettre un bond en avant considérable en termes de performances, dépassant largement les capacités des supercalculateurs actuels. Le Graal réside dans la factorisation en nombres premiers des grands nombres – fondement du chiffrement moderne et pratiquement insoluble pour les ordinateurs classiques d'aujourd'hui. « Si nous y parvenons, soit nous aurons acquis un avantage quantique considérable », affirme Aaronson, « soit quelqu'un découvrira une méthode de factorisation classique rapide qui serait presque aussi révolutionnaire pour la cryptographie et les mathématiques. »