Le CNRS rejoint le club très fermé des démonstrateurs de l’avantage quantique. Le 8 février, l’organisme a annoncé avoir démontré la supériorité d’un calculateur quantique à photons sur un calculateur conventionnel, pour un problème mathématique précis. Une première, en France comme en Europe, réalisée avec le concours de l’université d’Edimbourg (Ecosse) et de la branche parisienne de la start-up américaine QC Ware.
Présentée dans la revue Nature Communications, cette réalisation suit de quelques mois une annonce similaire faite par des chercheurs chinois, et de près d’un an et demi la première démonstration d’un avantage quantique par Google.
Matériel réduit, logiciel dopé
Point commun avec les travaux menés en Chine, le système quantique du CNRS – installé au campus Pierre et Marie Curie de Sorbonne Université, à Paris – se base sur l’utilisation de photons. La ressemblance s’arrête là. La machine chinoise, sophistiquée, comprenait 300 séparateurs de faisceaux lumineux et 75 miroirs. Celle du CNRS s’appuie sur "un système expérimental simple, réalisable dans tous les laboratoires photoniques de pointe", note l’organisme dans un communiqué.
Ici, l’avantage quantique ne se joue pas sur le matériel, mais sur le logiciel. Un pan de l’informatique quantique sur lequel QC Ware est spécialiste. "Le but était de prouver qu’un algorithme permet de trouver des applications concrètes de calcul quantique avec un matériel très réduit", affirme Iordanis Kerenidis, directeur de recherche à l’Institut de recherche en informatique fondamentale (Irif) du CNRS et directeur de la R&D de QC Ware.
Vérifier un résultat, sans le résultat
Le système vise à vérifier la véracité du résultat d’un problème mathématique de type NP-complet, "un problème d’optimisation très complexe, récurrent dans l’industrie et le machine learning", explique le scientifique, co-auteur du rapport qui a orienté le plan quantique annoncé par Emmanuel Macron fin janvier. "Notre algorithme permet de vérifier si un calculateur quantique a trouvé la meilleure solution à un problème de ce type, avec une fraction de cette solution", détaille-t-il.
"Imaginez qu’une entreprise affirme pouvoir résoudre un problème d’optimisation de portfolio financier avec son service de calcul quantique en cloud, illustre Iordanis Kerenidis. Il faut vérifier cette affirmation, mais nous ne pouvons pas demander à l’entreprise de montrer ses résultats."
Le chercheur prend en exemple un problème NP-complet bien connu, utilisé par Atos pour estimer la puissance des calculateurs quantiques. Un voyageur de commerce doit visiter mille villes, avant de revenir à son point de départ. Quel est le chemin le plus court pour traverser chaque ville une seule fois ? "Nous ne pouvons pas demander le parcours complet, alors nous prenons seulement une dizaine de villes, explique-t-il. Cela suffit à notre système quantique pour vérifier si une solution existe."
Problème concret
Pour effectuer cette vérification, le système reçoit les informations sous forme de photons, envoyées par fibre optique par le fournisseur de service (remplacé par une simulation pour l’expérience). "Grâce à un système optique très simple, nous faisons interagir ces informations avec des photons générés par notre calculateur, détaille Iordanis Kerenidis. Ensuite, l’algorithme analyse le résultat de cette interaction pour prouver l’efficacité et la véracité du calcul."
Réalisé en quelques secondes par l’algorithme quantique, "le même exercice prendrait un temps équivalent à l’âge de l’univers pour un ordinateur classique", indique le CNRS dans son communiqué. Surtout, les chercheurs affirment que ce système de vérification trouverait des applications concrètes sur les services de calcul quantique en cloud, mais aussi pour développer des systèmes d’authentification sécurisés ou améliorer les technologies blockchain.
Le CNRS démontre donc pour la première fois un avantage quantique sur un problème aux applications concrètes. Contrairement à Google, ou aux chercheurs chinois.
