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Prononcez les mots «suprématie quantique» lors d’un rassemblement d’informaticiens. Cette phrase fait référence à l’idée que les ordinateurs quantiques vont bientôt franchir un seuil où ils effectueront avec une relative facilité des tâches extrêmement difficiles pour les ordinateurs classiques. Jusque récemment, on pensait que ces tâches avaient peu d’utilisation dans le monde réel, d’où le tonnerre.

Mais maintenant que le processeur quantique de Google serait sur le point d’atteindre cet objectif, la suprématie quantique imminente pourrait s’avérer avoir une application importante après tout: générer du pur hasard.

Le hasard est crucial pour presque tout ce que nous faisons avec notre infrastructure informatique et de communication. En particulier, il sert à chiffrer des données, protégeant ainsi tout, des conversations banales aux transactions financières en passant par les secrets d’État.

Il est extrêmement difficile de trouver un caractère aléatoire réel et vérifiable (il s’agit de la propriété d’une séquence de nombres qui empêche de prédire le nombre suivant).

Cela pourrait changer une fois que les ordinateurs quantiques démontreront leur supériorité. Ces premières tâches, initialement destinées à montrer simplement les prouesses de la technologie, pourraient également produire un véritable caractère aléatoire certifié. "Nous sommes vraiment enthousiastes à ce sujet", a déclaré un physicien de l'Université de Californie à Santa Barbara, à la tête des efforts de Google en matière d'informatique quantique. "Nous espérons qu'il s'agit de la première application d'un ordinateur quantique."

Aléatoire et Entropie

Le hasard et la théorie quantique vont de pair comme le tonnerre et la foudre. Dans les deux cas, le premier est une conséquence inévitable du second. Dans le monde quantique, on dit souvent que les systèmes se composent d'une combinaison d'états – d'une soi-disant "superposition". Lorsque vous mesurez le système, il "s'effondrera" dans un seul de ces états. Et bien que la théorie quantique vous permette de calculer des probabilités pour ce que vous trouverez lorsque vous mesurerez, le résultat obtenu est toujours fondamentalement aléatoire.

Les physiciens ont exploité cette connexion pour créer des générateurs de nombres aléatoires. Tous reposent sur des mesures d'une sorte de superposition quantique. Et bien que ces systèmes soient plus que suffisants pour les besoins aléatoires de la plupart des gens, ils peuvent être difficiles à utiliser. En outre, il est extrêmement difficile de prouver à un sceptique que ces générateurs de nombres aléatoires sont réellement aléatoires. Enfin, certaines des méthodes les plus efficaces pour générer un caractère aléatoire vérifiable nécessitent des configurations complexes avec plusieurs périphériques séparés par de grandes distances.

Une proposition récente visant à extraire le hasard d’un seul appareil – un ordinateur quantique – exploite une tâche dite d’échantillonnage, qui constituera l’un des premiers tests de la suprématie quantique. Pour comprendre la tâche, imaginez que vous receviez une boîte remplie de tuiles. Chaque tuile a quelques 1 et 0 gravés – 000, 010, 101 et ainsi de suite.

S'il n'y a que trois bits, il y a huit options possibles. Mais il peut y avoir plusieurs copies de chaque mosaïque étiquetée dans la boîte. Il peut y avoir 50 tuiles portant les mentions 010 et 25 portant la référence 001. Cette répartition des tuiles détermine la probabilité que vous tiriez au hasard une certaine tuile. Dans ce cas, vous avez deux fois plus de chances de sortir une vignette portant le libellé 010 que de retirer une vignette portant le libellé 001.

Une tâche d'échantillonnage implique un algorithme informatique qui équivaut à accéder à une boîte avec une certaine distribution de tuiles et à en extraire une au hasard. Plus la probabilité spécifiée pour une mosaïque de la distribution est élevée, plus il est probable que l'algorithme produise cette mosaïque.

Bien sûr, un algorithme ne va pas chercher dans un sac littéral et extraire des tuiles. Au lieu de cela, il générera aléatoirement un nombre binaire, par exemple long de 50 bits, après avoir reçu une distribution spécifiant la probabilité souhaitée pour chaque chaîne de sortie possible de 50 bits.

Pour un ordinateur classique, la tâche devient exponentiellement plus difficile à mesure que le nombre de bits dans la chaîne augmente. Mais pour un ordinateur quantique, la tâche devrait rester relativement simple, qu’il s’agisse de cinq bits ou de 50 bits.

L'ordinateur quantique commence avec tous ses bits quantiques – qubits – dans un certain état. Disons qu’ils commencent tous à 0. Tout comme les ordinateurs classiques agissent sur des bits classiques en utilisant des portes dites logiques, les ordinateurs quantiques manipulent des qubits en utilisant l’équivalent quantique, appelé portes quantiques.

Mais les portes quantiques peuvent placer les qubits dans des états étranges. Par exemple, un type de porte peut mettre un qubit qui commence par une valeur initiale 0 dans une superposition de 0 et 1. Si vous deviez mesurer ensuite l'état du qubit, il s'effondrerait de manière aléatoire en 0 ou 1 avec une probabilité égale. .

Encore plus bizarrement, les portes quantiques agissant sur deux qubits ou plus à la fois peuvent provoquer un «enchevêtrement» des qubits. Dans ce cas, les états des qubits sont imbriqués, de sorte que les qubits ne peuvent plus être décrits qu’en utilisant un seul état quantique.

Si vous assemblez un ensemble de portes quantiques et que vous les faites alors agir sur un ensemble de qubits dans une séquence spécifiée, vous avez créé un circuit quantique. Dans notre cas, pour générer de manière aléatoire une chaîne de 50 bits, vous pouvez créer un circuit quantique qui place 50 qubits, pris ensemble, dans une superposition d’états qui capture la distribution que vous souhaitez recréer.

Lorsque les qubits sont mesurés, la superposition entière sera réduite au hasard en une chaîne de 50 bits. La probabilité qu’il soit réduit à une chaîne donnée est dictée par la distribution spécifiée par le circuit quantique. Mesurer les qubits revient à atteindre les yeux bandés dans la boîte et à échantillonner au hasard une chaîne de la distribution.

Comment cela nous amène-t-il à des nombres aléatoires? Point crucial, la chaîne de 50 bits échantillonnée par l'ordinateur quantique aura beaucoup d'entropie, une mesure du désordre ou de l'imprévisibilité, et donc du caractère aléatoire. «Cela pourrait en fait être un gros problème», a déclaré un informaticien de l'Université du Texas, Austin, qui a mis au point le nouveau protocole. «Non pas parce que c’est l’application la plus importante des ordinateurs quantiques – je pense que c’est loin de cela – mais plutôt, parce que cela ressemble probablement à la première application des ordinateurs quantiques qui sera technologiquement réalisable."

Le protocole d’Aaronson pour générer de l’aléatoire est assez simple. Un ordinateur classique commence par rassembler quelques éléments aléatoires d'une source fiable et utilise cet «aléa germe» pour générer la description d'un circuit quantique. Les bits aléatoires déterminent les types de portes quantiques et la séquence dans laquelle ils doivent agir sur les qubits. L'ordinateur classique envoie la description à l'ordinateur quantique, qui implémente le circuit quantique, mesure les qubits et renvoie la chaîne de bits de sortie de 50 bits. Ce faisant, il a échantillonné de manière aléatoire la distribution spécifiée par le circuit.

Répétez maintenant le processus encore et encore – par exemple, 10 fois pour chaque circuit quantique. L'ordinateur classique utilise des tests statistiques pour s'assurer que les chaînes en sortie ont beaucoup d'entropie. Aaronson et son co-auteur, Lijie Chen, ont déclaré que, sous certaines hypothèses plausibles selon lesquelles ces problèmes sont difficiles à calculer, aucun ordinateur classique ne peut générer une telle entropie peu de temps avant le temps nécessaire à un ordinateur quantique pour effectuer un échantillonnage aléatoire d'une distribution. Après les vérifications, l’ordinateur classique colle ensemble toutes les chaînes de sortie 50 bits et transmet le tout à un algorithme classique bien connu. "Il produit une longue chaîne qui est presque parfaitement aléatoire", a déclaré Aaronson.

La trappe quantique

Le protocole d’Aaronson est le mieux adapté aux ordinateurs quantiques de 50 à 100 qubits environ. Lorsque le nombre de qubits dans un ordinateur quantique dépasse ce seuil, il devient insaisissable sur le plan informatique pour que même les superordinateurs classiques utilisent le protocole. C'est ici qu'entre l'image. Il utilise une technique mathématique existante dont le nom est interdit: une fonction sans trappe. «Cela semble bien pire qu’il ne l’est», a déclaré un informaticien de l’Université de Californie à Berkeley, qui a conçu la nouvelle stratégie avec, et.

Imaginez une boîte à nouveau. Au lieu d’atteindre et d’extraire une chaîne, vous déposez cette fois un n-bits chaîne, appelez-le X, et sort un autre nchaîne de bits. La boîte mappe en quelque sorte une chaîne d'entrée sur une chaîne de sortie. Mais la boîte a une propriété spéciale: pour chaque X, il y a une autre chaîne d'entrée y qui génère la même chaîne de sortie.

En d'autres termes, il existe deux chaînes d'entrée uniques – X et y – pour lequel la boîte retourne la même chaîne de sortie, z. Ce triplé de X, y et z s'appelle une griffe. La boîte, en informatique, parle, est une fonction. La fonction est facile à calculer, ce qui signifie que X ou y, il est facile de calculer z. Mais si vous êtes seulement donné X et z, découverte y – et donc la griffe – est impossible, même pour un ordinateur quantique.

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