Technologie quantique : Le discours de la cérémonie de remise du prix Nobel de physique 2022 et un potentiel changement de jeu

NEC est bien parti vers la commercialisation d'un ordinateur quantique

Le 10 décembre 2022, le prix Nobel de physique 2022 a été décerné à trois chercheurs américains et européens pour leurs contributions au développement de la mécanique quantique. Alors que les ordinateurs quantiques et d’autres technologies, censées être la prochaine génération d’informatique haute vitesse, commencent à prospérer, nous aimerions capitaliser sur l’élan du prix Nobel de physique de l’année dernière pour offrir un aperçu du monde de la technologie quantique. Qu’est-ce qui rend les ordinateurs quantiques si étonnants ? Et quel type de valeur sociale NEC est capable de créer ? Nous avons parlé avec Masayuki Shirane, directeur des Laboratoires de plateforme de systèmes sécurisés de NEC pour connaître les réponses à ces questions et d’autres.

Qu’est‑ce exactement le quantum?Possibilités rendues possibles par l’« ambiguïté » non conventionnelle

── Le prix Nobel de physique 2022 a été décerné en reconnaissance d’expériences sur l’intrication quantique. En tant que phénomène que même Einstein n’a pas pu convaincre, l’intrication quantique peut constituer un obstacle majeur pour les novices. Il existe en effet des choses qui expliquent des phénomènes physiques familiers mais qui ne peuvent être expliquées par la mécanique classique, que nous considérons comme le bon sens. C’est précisément ce que les lauréats du prix Nobel de physique de cette année ont prouvé par leurs expériences. Par exemple, supposons que deux quanta dans des états différents, "0" et "1" (par ex., un photon – l’unité la plus petite de lumière), existent dans un état intriqué. La mécanique classique considère que le fait qu’un état soit "0" et l’autre "1" est prédéterminé, indépendamment de l’observation humaine. Cependant, en mécanique quantique, aucun des quanta n’est déterminé à être "0" ou "1" jusqu’à ce qu’il soit observé par l’homme, où il est déterminé à être "0" ou "1" au moment de l’observation. Lorsque deux quanta existent dans un état intriqué, le second quantum passe à l’état "0" au moment où un quantum est observé et trouvé en état "1". Peu importe la distance entre les deux quanta, l’état des deux quanta est déterminé instantanément. En d’autres termes, l’information est transmise instantanément entre les deux quanta. ── Je pense que je commence à comprendre une partie de cela. Comment cette recherche quantique conduira-t-elle à l’innovation technologique? Il existe des innovations qui peuvent être obtenues grâce à des systèmes quantiques incompatibles avec le bon sens. Un exemple est la superposition quantique, utilisée dans les ordinateurs quantiques. Les bits de la mécanique classique sont soit "0" soit "1", mais les qubits quantiques peuvent exprimer simultanément les informations "0" et "1". Étant donné que "0" ou "1" est indéterminé, les états "0" et "1" sont décrits comme étant superposés. C’est pourquoi la quantité d’information pouvant être exprimée dans un seul qubit est significativement plus élevée, où 100 qubits équivalent à 1000 trillions par 1000 trillions de bits d’ordinateurs conventionnels. Un ordinateur quantique est une machine ayant le potentiel d’effectuer un traitement ultra‑rapide basé sur les qubits.

Il existe également des applications telles que la détection quantique, qui lit les légères variations de magnétisme et de fréquence en tirant parti de la facilité des changements d’état quantique, et la communication cryptographique quantique, qui détecte et empêche le vol d’information en utilisant les changements d’état lorsqu’un état quantique est observé. NEC est engagé dans la recherche et le développement dans ces deux domaines.

Pourquoi ce domaine attire-t-il autant d’attention ? Les secteurs public et privé semblent déterminés à commercialiser ces applications.

── L’intérêt pour la technologie quantique a augmenté ces dernières années, même avant la remise du prix Nobel.
En 2019, l’annonce de Google selon laquelle elle avait démontré la supériorité quantique a eu un impact considérable. Bien qu’il y ait eu des réserves quant à la praticabilité, l’ordinateur quantique de Google pouvait résoudre en seulement 200 secondes un problème qui prendrait 10 000 ans à calculer sur un superordinateur à l’époque. Les gouvernements du monde entier investissent activement dans la technologie. Le budget alloué à la recherche et au développement liés à la technologie quantique en FY2022 a dépassé 90 milliards de yens aux États-Unis et 30 milliards de yens au Japon.── NEC mène des recherches sur la technologie quantique depuis les années 1990 et accélère davantage ses efforts de R&D vers la commercialisation.NEC est un pionnier dans ce domaine. En 1999, elle a été la première à démontrer la validité du qubit à semi-conducteur supraconducteur, l’élément de base d’un ordinateur quantique. Depuis, nous avons poursuivi nos recherches en avance sur le reste du monde, réalisant la première lecture haute sensibilité de qubits utilisant des circuits paramétron supraconducteurs en 2014. Nous travaillons actuellement sur le développement de machines d’annealing quantique utilisant ces technologies.── En parlant d’annealing, existe-t-il différents types d’ordinateurs quantiques?Les ordinateurs quantiques peuvent être classés en deux grandes catégories : systèmes à portes quantiques et systèmes d’annealing quantique. Dans les systèmes à portes, les bits des ordinateurs conventionnels sont remplacés par des qubits, et en principe, on peut tout faire. L’objectif ultime est de créer une machine dite tolérante aux fautes, pratiquement sans erreur, même par rapport aux autres machines à portes. Le développement d’une machine quantique tolérante aux fautes est l’un des projets du programme de recherche et développement Moonshot du gouvernement japonais. Le Dr Tsuyoshi Yamamoto, chercheur de NEC, dirige la recherche et le développement de la technologie supraconductrice en tant que chef de projet. Cela dit, nous sommes probablement encore loin de notre objectif. La machine Google mentionnée ci‑dessus est une machine à portes, mais pas une machine tolérante aux fautes.Les machines d’annealing quantique sont spécialisées dans la résolution de problèmes d’optimisation combinatoire, et leurs capacités sont limitées par rapport aux systèmes à portes polyvalents. Avec les systèmes d’annealing, l’objectif est de résoudre les problèmes à grande vitesse en convertissant les modèles mathématiques (équations) généralement utilisés pour résoudre des problèmes en équations spécialisées appelées modèles d’Ising qui expriment les états quantiques comme les pôles nord (N) et sud (S) d’un aimant. Nous pensons qu’il est possible de simplifier le mécanisme par rapport au système à portes et d’accélérer la mise en œuvre du matériel.

Que se passera‑t‑il dans la société à l’avenir ? Bientôt, nous verrons des changements dans la fabrication, le travail et même la vie quotidienne.

── Quels sont les avantages de pouvoir résoudre des problèmes d’optimisation combinatoire à grande vitesse? Des exemples célèbres de son application incluent la résolution du problème du voyageur de commerce pour déterminer comment les commerciaux peuvent se déplacer vers de nombreux sites de manière efficace en termes de temps et de coût, ainsi que le problème d’horaires de travail pour concevoir des plannings qui satisfont toutes les conditions nécessaires, telles que les conditions de travail, le nombre de personnes requises, les préférences de travail et la compatibilité. L’optimisation combinatoire dérive la solution la plus efficace à partir d’un grand nombre de combinaisons d’options. Le Groupe NEC a déjà mis en œuvre un système qui utilise la technologie d’annealing simulé inspirée de la quantum, utilisant des superordinateurs vectoriels, réduisant le temps nécessaire pour planifier la livraison des pièces de maintenance pour le lendemain de deux heures à 12 minutes. De plus, les problèmes impliquant l’optimisation combinatoire, tels que le développement urbain et la fabrication, se trouvent dans divers aspects de la vie quotidienne. La technologie de l’informatique quantique dans un sens large a désormais atteint le stade de mise en œuvre sociale. ── Quels sont les avantages de la technologie quantique de NEC? Dans l’annealing simulé, le traitement à grande vitesse de problèmes combinatoires à grande échelle est rendu possible en faisant fonctionner un logiciel incorporant des algorithmes propriétaires sur SX-Aurora TSUBASA, un superordinateur vectoriel qui effectue des calculs matriciels avec une bande passante mémoire élevée. En ce qui concerne l’annealing quantique, qui devrait résoudre des problèmes plus complexes à une vitesse plus élevée, nous avons annoncé en mars 2022 que NEC était le premier au monde à résoudre avec succès un problème d’optimisation combinatoire à petite échelle en utilisant la méthode LHZ (architecture ParityQC*). Alors que l’objectif ultime de NEC est de développer des ordinateurs quantiques tolérants aux pannes, nous nous concentrons actuellement sur la méthode d’annealing, qui devrait être mise en œuvre dans un avenir proche. En fait, nous visons la réalisation d’une machine d’annealing quantique en 2023. La technologie quantique à elle seule ne garantira pas un avenir radieux. Cependant, nous croyons que, au-delà de la commodité et du confort que cela apportera à la vie des gens, il y aura, en fait, la puissance de notre technologie quantique. C’est l’avenir que j’espère créer.

※ Méthode LHZ : LHZ est une abréviation dérivée des noms des trois personnes qui l’ont proposée, Lechner, Hauke et Zoller. L’idée a été proposée par ces trois chercheurs et développée par Parity Quantum Computing pour résoudre le problème de la difficulté croissante d’intégrer tous les bits comme matériel à mesure que le nombre de bits augmente.