Notre algorithme Quantum Echoes est un grand pas vers des applications pratiques pour l'informatique quantique

Note de la rédaction : Nous annonçons aujourd’hui une recherche qui démontre, pour la première fois dans l’histoire, qu’un ordinateur quantique peut exécuter avec succès un algorithme vérifiable sur du matériel, surpassant même les supercalculateurs classiques les plus rapides (13 000 fois plus rapides). Il peut calculer la structure d'une molécule et ouvre la voie à des applications concrètes. Cette avancée s'appuie sur des décennies de travail et six années de percées majeures. En 2019, on a démontré qu'un ordinateur quantique pouvait résoudre un problème qui prendrait des milliers d'années au supercalculateur classique le plus rapide. Puis, à la fin de 2024, notre nouvelle puce quantique Willow a montré comment supprimer considérablement les erreurs, résolvant ainsi un problème majeur qui a posé problème aux scientifiques pendant près de 30 ans. Cette avancée nous rapproche considérablement des ordinateurs quantiques capables de mener à des découvertes majeures dans des domaines tels que la médecine et la science des matériaux.

Imaginez que vous essayez de retrouver un navire perdu au fond de l’océan. Un sonar avec traitement du signal effectué sur des ordinateurs conventionnels pourrait vous donner une forme floue et vous dire : « Il y a une épave là-dessous. » Mais que se passerait-il si vous pouviez non seulement trouver le navire mais aussi lire la plaque nominative sur sa coque?

C’est le genre de précision sans précédent que nous venons d’atteindre avec notre processeur quantique Willow. Aujourd'hui, nous annonçons une avancée algorithmique majeure qui marque une étape importante vers la première application concrète de l'informatique quantique au-delà du classique. Nous avons démontré le tout premier avantage quantique vérifiable en exécutant l’algorithme de corrélateur temporel hors service (OTOC), que nous appelons Quantum Echoes.

Les échos quantiques sont utiles pour apprendre la structure des systèmes quantiques, des molécules aux aimants, en passant par les trous noirs, et nous avons démontré qu'ils fonctionnent 13 000 fois plus rapidement sur Willow que le meilleur algorithme classique sur l'un des supercalculateurs les plus rapides du monde.

Dans une expérience distincte de preuve de principe, nous avons montré comment notre technique peut utiliser les données de la résonance magnétique nucléaire (RMN) pour obtenir plus d'informations sur la structure chimique que les méthodes existantes, ouvrant la voie à une application à court terme uniquement possible sur les ordinateurs quantiques. La RMN améliorée par l'informatique quantique pourrait devenir un outil puissant dans la découverte de médicaments, en aidant à déterminer comment les médicaments potentiels se lient à leurs cibles, ou dans la science des matériaux pour caractériser la structure moléculaire de nouveaux matériaux comme les polymères, les composants de batterie ou même les matériaux qui composent nos bits quantiques (qubits).

L'algorithme Quantum Echoes, un avantage quantique vérifiable

C’est la première fois dans l’histoire qu’un ordinateur quantique parvient à exécuter un algorithme reproductible qui dépasse les capacités des supercalculateurs. La vérifiabilité quantique signifie que le résultat peut être répété sur notre ordinateur quantique, ou tout autre du même calibre, pour obtenir la même réponse, confirmant ainsi le résultat. Ce calcul répétable, au-delà du calcul classique, constitue la base d’une vérification évolutive, transformant les ordinateurs quantiques de nouveaux objets d’étude en outils de découverte scientifique.

Notre nouvelle technique fonctionne comme un écho très avancé. Nous envoyons un signal soigneusement élaboré dans notre système quantique (qubits sur puce Willow) puis inversons précisément son évolution pour écouter « l'écho » qui revient.

Cet écho quantique est particulier car il est amplifié par l’interférence constructive — un phénomène où les ondes quantiques s’additionnent pour devenir plus fortes. Cela rend notre mesure incroyablement sensible.

Cette implémentation de l’algorithme Quantum Echoes est rendue possible par les avancées du matériel quantique de notre puce Willow. L’année dernière, Willow a prouvé sa puissance avec notre test d’échantillonnage de circuits aléatoires, un test conçu pour mesurer la complexité maximale de l’état quantique. L’algorithme Quantum Echoes représente une nouvelle classe de défi car il modélise une expérience physique. Cela signifie que cet algorithme teste non seulement la complexité, mais également la précision du calcul final. C’est pourquoi nous l’appelons « vérifiable quantiquement », ce qui signifie que le résultat peut être comparé et vérifié par un autre ordinateur quantique de qualité similaire. Pour offrir à la fois précision et complexité, le matériel doit avoir deux caractéristiques clés : des taux d’erreur extrêmement faibles et des opérations à grande vitesse.

Vers une application concrète

Les ordinateurs quantiques joueront un rôle déterminant dans la modélisation des phénomènes de la mécanique quantique, tels que les interactions entre atomes et particules et la structure (ou la forme) des molécules. L’un des outils utilisés par les scientifiques pour comprendre la structure chimique est la résonance magnétique nucléaire (RMN), la même science qui sous-tend la technologie IRM. La RMN agit comme un microscope moléculaire, suffisamment puissant pour nous permettre de voir la position des atomes, ce qui nous aide à comprendre la structure d'une molécule. La modélisation de la forme et de la dynamique des molécules est fondamentale en chimie, en biologie et en science des matériaux, et les avancées qui nous aident à mieux le faire ont soutenu les progrès dans des domaines allant de la biotechnologie à l'énergie solaire en passant par la fusion nucléaire.

Dans une expérience RMN, les scientifiques placent un échantillon de molécule dans un champ magnétique. Les atomes de la molécule sont comme de minuscules aimants qui s’alignent avec ce champ, puis sont « retournés » à l’aide d’ondes radio. Lorsque le champ magnétique est désactivé, ces aimants atomiques reviennent à leur état initial et libèrent de l'énergie. Cette énergie est mesurée lors d'une expérience de RMN, et les scientifiques utilisent la modélisation informatique (classique) pour comprendre ce que les schémas énergétiques spécifiques révèlent sur la structure de la molécule.

Cependant, pour certaines molécules complexes, les résultats d’une expérience RMN peuvent être chaotiques et difficiles à interpréter. Cela cache des détails structurels importants que les scientifiques doivent voir. Comme nous l'avons expliqué, la puissance de Quantum Echoes réside dans sa capacité à diagnostiquer une dynamique quantique complexe, en isolant les signaux essentiels du bruit indésirable pour révéler des interactions subtiles extrêmement difficiles à détecter avec les techniques classiques. Nous pouvons appliquer cette puissance à la RMN en utilisant Quantum Echoes sur Willow pour simuler plus précisément certains types de données RMN que ce qui serait possible sur un ordinateur classique.

Dans une expérience de preuve de principe pour vérifier cette approche, nous avons exécuté l'algorithme Quantum Echoes sur notre puce Willow pour étudier deux molécules, une avec 9 atomes et une autre avec 15 atomes, en partenariat avec l'UC Berkeley. Les résultats obtenus sur notre ordinateur quantique correspondent à ceux de la RMN traditionnelle et ont révélé des informations qui ne sont généralement pas disponibles à partir de la RMN, ce qui constitue une validation cruciale de notre approche. Tout comme le télescope et le microscope ont ouvert la voie à de nouveaux mondes invisibles, cette expérience est un pas vers un « scope quantique » capable de mesurer des phénomènes naturels jusque-là inobservables.

Et ensuite?

Cette démonstration du tout premier avantage quantique vérifiable avec notre algorithme Quantum Echoes marque une étape importante vers les premières applications concrètes de l’informatique quantique. Ces applications sont probablement le premier exemple de la manière dont l’informatique quantique améliorera l’IA classique. En apprenant automatiquement la structure des molécules, nos ordinateurs quantiques peuvent générer des ensembles de données précieux pour former des modèles classiques plus puissants et plus précis. À mesure que nous progressons vers un ordinateur quantique à grande échelle, avec correction des erreurs, nous nous attendons à ce que de nombreuses autres applications utiles du monde réel soient inventées. Nous nous concentrons désormais sur la réalisation de l’étape 3 de notre feuille de route pour le matériel quantique, un qubit logique à longue durée de vie.