Les énigmes quantiques : naviguer dans le bruit et améliorer l’expertise

Il y a une blague, jouant sur les propriétés uniques du monde quantique, qui dit : « Il y a trois types de personnes dans ce monde : ceux qui comprennent l'informatique quantique, ceux qui ne comprennent pas l'informatique quantique, et ceux qui simultanément comprennent et ne comprennent pas. l'informatique quantique." Blague à part, Weiwen Jiang voit un monde dans lequel l’informatique quantique est largement utilisée ; grâce à un nouveau financement de la National Science Foundation (NSF), il prend des mesures pour atteindre cet objectif.

Jiang, professeur adjoint au département de génie électrique et informatique de l'université George Mason, dirige deux projets NSF récemment récompensés, d'une valeur totale de 900 000 $, pour travailler sur le développement de ces dispositifs complexes et sur la constitution de la main-d'œuvre quantique de demain.

Les ordinateurs quantiques diffèrent des ordinateurs classiques dans la mesure où ils utilisent des éléments de la mécanique quantique pour effectuer des calculs, ce qui leur permet de fonctionner beaucoup plus rapidement et de traiter davantage de données. Bien que plusieurs ordinateurs quantiques opérationnels soient utilisés (IBM et Google comptent parmi les principaux fabricants), ils sont actuellement loin de leur potentiel promis et ne peuvent tout simplement pas encore effectuer les calculs à grande échelle qui leur sont prévus.

Jiang a déclaré qu'un problème clé est le suivant : « Ils ne sont pas « stables ». Nous pouvons les utiliser pour des calculs, mais vous pourriez obtenir une réponse aujourd’hui et une réponse totalement différente demain.

Les appareils quantiques sont notoirement sensibles au « bruit », en particulier à des éléments tels que les rayons cosmiques, les modifications du champ magnétique terrestre, les radiations et même les signaux Wi-Fi mobiles. Le bruit contribue à l'instabilité des appareils.

La subvention collaborative de 600 000 $ financera le travail de Jiang et de ses collaborateurs de la Kent State University pour développer un adaptateur qui s'adaptera au bruit fluctuant, améliorant ainsi les performances des applications sur les appareils quantiques. Jiang connaît bien le sujet, ayant récemment remporté le prix de la meilleure affiche pour « Optimisations au niveau du système pour améliorer la robustesse des applications quantiques sur des dispositifs quantiques instables » lors d'un événement au laboratoire national d'Oak Ridge.

Selon les travaux préliminaires de Jiang, le déploiement des applications quantiques est confronté à plusieurs défis, notamment : la durabilité : sur un processeur quantique, la plupart des applications quantiques sont sensibles aux changements temporels du bruit quantique ; portabilité : différents processeurs quantiques (même du même fournisseur) dotés de propriétés spécifiques entraîneront une variation de l'incertitude du modèle ; et transparence : le manque d’outils de visualisation peut empêcher les utilisateurs d’adapter leurs applications quantiques aux ordinateurs quantiques pour une plus grande fiabilité. Le projet NSF apportera systématiquement des solutions en réponse à ces défis.

Jiang est optimiste quant à l'avenir de l'informatique quantique : « Chaque année, nous constatons de nombreuses avancées. Il y a quelques mois à peine, IBM a publié un article sur la réduction du bruit. Et chaque année, nous constatons que le nombre de qubits dans les ordinateurs quantiques passe de cinq en 2000 à plus de 400 sur un nouvel ordinateur d’IBM. (Un qubit est l'unité d'information de base utilisée en informatique quantique, un peu comme un 1 et un 0 pour l'informatique traditionnelle.)

Une autre subvention, que Jiang partage avec ses collaborateurs Mingzhen Tian et Jessica Rosenberg du College of Science, fournit 300 000 $ de la NSF pour renforcer le pipeline de main-d'œuvre quantique. La subvention est destinée à « un programme de formation à l’intégration de systèmes quantiques de bout en bout ». Les membres du corps professoral développent un nouveau cours à Mason, organisent des ateliers lors de la conférence internationale de l'IEEE sur l'informatique quantique en septembre (où Jiang est co-président du volet système quantique) et dirigent des tutoriels lors de conférences internationales. Récemment, l'équipe, dirigée par Rosenberg, a coordonné un programme d'immersion d'été à Mason pour les étudiants du secondaire. De plus, dans les mois à venir, Jiang dirigera des séminaires dans diverses institutions au service des minorités dans la région de Washington DC.

Jiang a déclaré que les opportunités pour les ingénieurs formés en quantique sont solides et croissantes. « J'ai des collaborations localement avec Leidos et MITRE par exemple, et ils ont des besoins dans ce domaine. De plus, nous savons que le quantique fera une différence dans tous les domaines, de la finance à la découverte de médicaments en passant par l’apprentissage automatique et au-delà.