Qu'est-ce qui rend un ordinateur quantique plus puissant qu'un ordinateur classique ? C'est une question étonnamment subtile à laquelle les physiciens sont encore confrontés, des décennies après le début de l'ère quantique.
La quête pour quantifier la quanticité
C'est à dire la quête c'est-à-dire ce qui rend les ordinateurs quantiques potentiellement plus puissants que les ordinateurs classiques. L'objectif est de trouver une métrique permettant de déterminer si un calcul quantique est simulable facilement sur un ordinateur classique ou s'il s'agit d'un problème véritablement quantique, hors de portée des machines classiques.
Les trois piliers de la "quantumness"
Au lieu d'une seule métrique, les chercheurs ont identifié trois aspects distincts qui séparent les domaines quantique et classique :
- L'intrication (Entanglement) : longtemps considérée comme la principale source de puissance quantique, l'intrication décrit la corrélation "fantôme" entre particules distantes. Cependant, certaines opérations quantiques impliquant l'intrication peuvent être simulées efficacement par des ordinateurs classiques, ce qui montre que l'intrication seule n'est pas suffisante pour garantir la "quanticité".
- La "magie" (Magic) : ce concept, lié à certaines opérations spécifiques sur les qubits (comme la porte T), représente une autre forme de ressource quantique. Les circuits quantiques avec peu de "magie" peuvent être simulés classiquement. Des études récentes suggèrent que la "magie" pourrait également jouer un rôle dans certains phénomènes physiques en dehors des ordinateurs quantiques, comme dans les phases de la matière quantique et les trous noirs.
- La "magie fermionique" (Fermionic Magic) : cette métrique, plus récente, est liée à la capacité des circuits quantiques à simuler des fermions en interaction (des particules élémentaires comme les électrons). Les circuits qui simulent des fermions "libres" (sans interaction) sont faciles à simuler classiquement, tandis que ceux qui simulent des fermions en interaction sont beaucoup plus difficiles.
L'importance de la simulation classique
Les chercheurs développent des algorithmes classiques pour simuler des circuits quantiques avec de faibles niveaux d'intrication, de "magie" ou de "magie fermionique". Ces simulations permettent de :
- Valider le fonctionnement des ordinateurs quantiques en cours de développement.
- Déterminer les limites des algorithmes classiques et identifier les problèmes qui nécessitent véritablement une approche quantique.
Vers une compréhension plus nuancée de la "quanticité"
L'article souligne qu'il est peu probable qu'une seule métrique puisse capturer tous les aspects de la "quanticité". L'intrication, la "magie" et la "magie fermionique" sont des concepts distincts qui émergent de différentes formulations mathématiques de la mécanique quantique. La quête pour quantifier la "quanticité" se poursuit, avec l'espoir de mieux comprendre les fondements de la puissance des ordinateurs quantiques et d'identifier de nouvelles applications révolutionnaires.