« Suprématie quantique » : Google, IBM et un exploit informatique contesté

Il y a un mois, Google faisait la une avec un article scientifique au titre très accrocheur : le géant aurait atteint la « suprématie quantique ». Dans la course au supercalculateur du futur, l’ordinateur quantique a l’aura d’un Graal des informaticiens, capable de résoudre certains problèmes à une vitesse incomparablement plus grande qu’une machine classique. L’article en question avait à l’époque fuité par accident, et il vient maintenant d’être officiellement publié dans la prestigieuse revue Nature.

Mais entre-temps, la controverse s’est installée. Tous s’accordent sur la légitimité des résultats de Google et de sa machine « Sycamore » à 53 qubits. Ce sont les conclusions tirées — et le langage utilisé — qui ne font pas l’unanimité. Les chercheurs d’IBM ont notamment jeté un pavé dans la mare avec un billet de blog critiquant leurs confrères de Google.

Dans l’article, il est affirmé que leur machine a atteint la « suprématie quantique » et qu’un « superordinateur de pointe nécessiterait environ 10 000 ans pour réaliser la tâche équivalente ». Nous soutenons qu’une simulation idéale de la même tâche peut être réalisée sur un système classique en 2,5 jours avec une fidélité bien plus importante.

Pourquoi IBM défie-t-il donc Google dans une bataille de polochons quantiques ? Derrière l’exploit technologique, c’est l’acte même de clamer que la « suprématie quantique a été atteinte » qu’IBM trouve problématique. Avant d’éclaircir tout cela, il faut faire une petite plongée dans le monde subatomique.

Informatique quantique, comment ça marche

Chez les physiciens, on peut opposer deux mondes. Le monde classique opère à grande échelle, nous entoure au quotidien, et est celui sur lequel toute la physique s’est basée jusqu’au début du 20e siècle. Le monde quantique domine l’infiniment petit, à l’échelle des atomes et en dessous. Il s’y passe des choses très étranges : le hasard et l’incertitude règnent, les particules traversent les murs, et selon une célèbre expérience de pensée d’Erwin Schrödinger, les chats peuvent être à la fois morts et vivants.

On explique généralement l’informatique quantique de la manière suivante. Un ordinateur classique fonctionne avec des bits, qui peuvent prendre les valeurs 0 ou 1. Mais l’ordinateur quantique utilise lui des qubits qui, grâce aux merveilles du monde quantique, peuvent avoir une superposition de plusieurs états entre 0 et 1. C’est le même principe que le chat de Schrödinger, qui se trouve dans une superposition des états « mort » et « vivant ».

« Les systèmes classiques ne peuvent généralement pas simuler les systèmes quantiques de manière efficace »

Pour mieux comprendre comment c’est possible, prenons une autre métaphore. Celle-ci vient du physicien John Preskill de Caltech (California Institute of Technology), un grand nom de l’informatique quantique, dans un article scientifique de 2012 (PDF) où est aussi définie la fameuse expression « suprématie quantique ».

Prenons un livre classique de 100 pages. Si on en lit 10 pages, on a lu 10 % de toute l’information contenue dans le livre. Mais dans un livre quantique, l’immense majorité de l’information n’est pas écrite sous forme de texte sur les pages ; elle est codée dans les corrélations entre les pages. Dans le jargon, on dit que les pages sont « intriquées ». Si on lit bêtement 10 pages sur un livre quantique de 100 pages, on n’a perçu qu’une partie infime de l’information qui s’y trouve.

Et en lisant le livre quantique dans sa totalité et sa globalité, on y trouve une quantité d’information colossale qu’il serait très difficile de mettre dans un livre classique. Remplacer ces « pages » par respectivement des bits et des qubits permet de revenir au monde informatique, et plus largement à cette idée : « les systèmes classiques ne peuvent généralement pas simuler les systèmes quantiques de manière efficace ».

Sortir le chat quantique de la boîte

Cette phrase résume selon Preskill pourquoi « nous souhaitons avec ferveur des systèmes quantiques contrôlés qui sont grands, mais démontrent un comportement profondément quantique », et pourquoi « nous trouvons cette quête irrésistible ». En effet, de tels systèmes quantiques à notre échelle pourraient « dépasser l’entendement », en se comportant de manières que nous trouverons surprenantes et ravissantes ».

De là vient l’idée de suprématie quantique. C’est un concept tout simple, qui désigne le moment où une machine quantique réalisera une tâche qu’un ordinateur classique ne pourrait pas faire en pratique. On est d’accord : il est question d’une tâche, pas de toutes les tâches qu’on veut. Avant d’y arriver, il faut parvenir à prendre des phénomènes quantiques et les conserver à une échelle macroscopique. Et c’est compliqué.

« Est-ce juste vraiment, vraiment difficile, ou alors est-ce absurdement difficile ? »

À cause des lois étonnantes du monde quantique, le simple fait d’observer ce qui se passe à l’intérieur d’un ordinateur quantique suffit à perturber tout le processus. C’est ce qu’on appelle la « décohérence », où la superposition quantique d’états se ramène à un seul état classique. Le chat de Schrödinger est à la fois mort et vivant tant qu’il est dans sa boîte, mais quand on regarde dans la boîte, il se ramène à un seul état, mort ou vivant.

Preskill pose donc la question avec un peu d’humour : « contrôler des systèmes quantiques à grande échelle, est-ce juste vraiment, vraiment difficile, ou alors est-ce absurdement difficile ? ». Dans le premier cas, construire des ordinateurs quantiques viables ne prendrait que quelques décennies, alors que dans le deuxième il faudrait attendre des siècles (ou jamais).

Google est (au moins) 1200 fois plus rapide qu’IBM

Dans un billet publié début octobre sur le site d’actualité scientifique Quanta Magazine, Preskill salue la prouesse de Google comme un signe que l’informatique quantique ne serait pas impossible à mettre en place. « Le hic, comme le reconnaît l’équipe de Google, est que le problème que leur machine a résolu avec une vitesse stupéfiante a été soigneusement choisi, juste pour l’objectif de démontrer la supériorité de l’ordinateur quantique », souligne cependant le physicien.

En face, le message d’IBM n’est pas non plu reçu par tout le monde. Une des principales critiques vient du chercheur en informatique Scott Aaronson de l’université d’Austin (Texas). Dans son blog, il souligne qu’IBM appuie son scénario sur son ordinateur Summit à l’Oak Ridge National Lab. C’est le supercalculateur le plus puissant du monde, qui remplit l’équivalent de deux terrains de basket et dispose de 250 pétaoctets de disque dur (soit 250 000 téraoctets) pour stocker l’équivalent du vecteur quantique de Google.

Aaronson trouve plausible que Summit mette 2 jours et demi à effectuer la tâche. Mais l’ordinateur quantique de Google a réussi à faire le travail en 3 minutes, ce qui est 1200 fois plus rapide. En se basant sur le nombre d’opérations de calcul requis par les deux machines, l’informaticien estime personnellement que l’avantage réel de Google s’élèverait à un facteur de 40 milliards.

3 minutes contre 2 jours et demi

Scott Aaronson cite alors une analogie que lui a glissée son confrère Boaz Barak de Harvard. La situation évoquerait les deux matchs d’échecs en 1997 entre le champion Gary Kasparov et l’ordinateur Deep Blue d’IBM — « mais avec l’ironie historique qu’IBM joue maintenant le rôle de Kasparov ! » Kasparov avait gagné le premier match, et Deep Blue le deuxième. « Kasparov peut opposer un combat héroïque, pour une période de transition qui dure un an ou deux, mais la situation fondamentale est qu’il est grillé ».

En informatique, on a une autre manière de catégoriser la vitesse d’exécution d’un programme. Deux programmes peuvent réaliser une tâche en un temps soit polynomial (rapide), soit exponentiel (lent). Dans le premier cas, quand le volume de la tâche augmente, le temps mis pour l’accomplir augmente de manière raisonnable et proportionnée. Dans le deuxième cas, ce temps explose de façon exponentielle et devient généralement ingérable.

Sur la tâche en question, l’ordinateur de Google peut la résoudre en un temps polynomial tandis que celui d’IBM se contente d’un temps exponentiel. La machine de Google est donc qualitativement supérieure. « L’estimation de temps concrète n’est pas très importante », avance William Fefferman de l’université de Chicago. « Je ne pense pas que le papier d’IBM invalide les affirmations principales de Google, mis à part l’estimation des 10 000 ans ».

Le terme de suprématie quantique est-il vraiment approprié ?

En bref, tout dépend de ce qu’on entend vraiment par « suprématie quantique », et surtout pourquoi on accorde tant de valeur à l’utilisation de ce terme. Historiquement, les premiers ordinateurs quantiques n’étaient capables que de faire des calculs très simples et inutiles, que n’importe quel ordinateur classique pouvait facilement émuler. Avant d’avoir une machine quantique qui serve à quelque chose, les chercheurs en voulaient au moins une qui « tienne debout ».

Dans cette interprétation, la suprématie quantique désigne l’étape des premières machines quantiques qui marchent à peu près, suffisamment pour montrer qu’elles ont un intérêt par rapport aux ordinateurs classiques. « Avant la suprématie, il y a simplement zéro chance qu’un ordinateur quantique puisse faire quoi que ce soit d’intéressant », décrit le physicien Fernando Brandão de Caltech, qui travaille aussi auprès de Google. « La suprématie est une étape nécessaire ».

Cette vision des choses n’est pas partagée par tout le monde dans le milieu, à commencer par IBM. « La suprématie quantique, on n’utilise pas du tout ce terme », assume ainsi Robert Sutor, chef de la stratégie d’IBM en informatique quantique. « C’est quelque chose qui nous est complètement égal. » Le terme plus neutre d’avantage quantique est d’ailleurs utilisé par beaucoup de chercheurs.

Car le mot « suprématie » n’est pas sans connotations. John Preskill en justifie le choix pour des raisons de nuances. « Pour moi, « avantage » n’a pas le punch de « suprématie ». Dans une course, un cheval a l’avantage s’il gagne d’une tête d’avance. Par contraste, la vitesse d’un ordinateur quantique dépasse largement celle d’ordinateurs classiques, pour certaines tâches. »

Mais il admet aussi que ce terme « exacerbe la couverture médiatique déjà hyperbolique sur l’état de la technologie quantique ». Pour une oreille américaine, le mot est de plus associé aux suprématistes blancs, ce qui n’arrange rien. Les chercheurs d’IBM reprennent ces arguments et rajoutent que « le terme de suprématie est mal compris par pratiquement tout le monde (hors du milieu raréfié des experts en informatique quantique, qui peuvent le remettre dans un contexte approprié) ».

Un titre avec une variante de « La suprématie quantique a été atteinte » est presque irrésistible à publier, mais il induira inévitablement en erreur le grand public. […] Les ordinateurs quantiques ne régneront jamais en « suprématie » sur les ordinateurs classiques, mais ils travailleront plutôt en concert avec eux, vu que les uns et les autres ont leurs forces uniques.

Pour reprendre l’analogie des deux matchs d’échecs entre Kasparov et Deep Blue : Google a sans doute triomphé dans le match de la technologie. Mais dans le match des mots et de l’importance du langage, IBM a bien mérité une victoire honorable.