Cristaux de temps.Micro-ondes.Diamants.Qu'est-ce que ces trois choses disparates ont en commun?
L'informatique quantique.Contrairement aux ordinateurs traditionnels qui utilisent des bits, les ordinateurs quantiques utilisent des qubits pour coder des informations sous forme de zéros ou de zéros, ou les deux en même temps.Couplées à un cocktail de forces de la physique quantique, ces machines de la taille d'un réfrigérateur peuvent traiter beaucoup d'informations - mais elles sont loin d'être parfaites.Tout comme nos ordinateurs ordinaires, nous devons avoir les bons langages de programmation pour calculer correctement sur les ordinateurs quantiques.
La programmation des ordinateurs quantiques nécessite une prise de conscience de quelque chose appelé «enchevêtrement», un multiplicateur de calcul pour les qubits, ce qui se traduit par beaucoup de puissance.Lorsque deux qubits sont enchevêtrés, les actions sur un qubit peuvent modifier la valeur de l'autre, même lorsqu'elles sont physiquement séparées, donnant naissance à la caractérisation d'Einstein de «l'action effrayante à distance».Mais cette puissance est à parts égales une source de faiblesse.Lors de la programmation, rejeter un qubit sans être conscient de son enchevêtrement avec un autre qubit peut détruire les données stockées dans l'autre, compromettant l'exactitude du programme.
Des scientifiques de l'informatique et de l'intelligence artificielle du MIT (CSAIL) visaient à se dérouler en créant leur propre langage de programmation pour l'informatique quantique appelée Twist.Twist peut décrire et vérifier les éléments de données enchevêtrés dans un programme quantique, à travers une langue qu'un programmeur classique peut comprendre.Le langage utilise un concept appelé Purity, qui applique l'absence d'enchevêtrement et se traduit par des programmes plus intuitifs, avec idéalement moins de bogues.Par exemple, un programmeur peut utiliser Twist pour dire que les données temporaires générées comme ordures par un programme ne sont pas enchevêtrées avec la réponse du programme, ce qui le rend sûr.
Bien que le champ naissant puisse se sentir un peu flashy et futuriste, avec des images de machines en or de mammouths qui viennent à l'esprit, les ordinateurs quantiques ont un potentiel de percées informatiques dans des tâches classiques insolubles, comme les protocoles cryptographiques et de communication, la recherche et la physique et la chimie informatiques.L'un des principaux défis des sciences informatiques est de faire face à la complexité du problème et à la quantité de calcul nécessaire.Alors qu'un ordinateur numérique classique aurait besoin d'un très grand nombre exponentiel de bits pour pouvoir traiter une telle simulation, un ordinateur quantique pourrait le faire, potentiellement, en utilisant un très petit nombre de qubits - si les bons programmes sont là.
«Notre Twist Language permet à un développeur d'écrire des programmes quantiques plus sûrs en indiquant explicitement quand un qubit ne doit pas être enchevêtré avec un autre», explique Charles Yuan, un doctorant du MIT en génie électrique et en informatique et auteur principal sur un nouvel article sur Twist.«Parce que la compréhension des programmes quantiques nécessite une compréhension de l'enchevêtrement, nous espérons que Twist ouvrira la voie aux langues qui rendent les défis uniques de l'informatique quantique plus accessible aux programmeurs.»
Yuan a écrit le journal aux côtés de Chris McNally, un doctorant en génie électrique et en informatique qui est affilié au MIT Research Laboratory of Electronics, ainsi qu'au professeur adjoint du MIT Michael Carbin.Ils ont présenté la recherche lors du Symposium 2022 de la semaine dernière sur les principes de la conférence de programmation à Philadelphie.
Enchevêtrement quantique démêlé
Imaginez une boîte en bois qui a mille câbles qui dépassent d'un côté.Vous pouvez tirer n'importe quel câble tout le long de la boîte ou le pousser tout le long.
Après cela pendant un certain temps, les câbles forment un motif de bits - zéros et ceux - selon qu'ils se trouvent dans ou à l'extérieur.Cette boîte représente la mémoire d'un ordinateur classique.Un programme pour cet ordinateur est une séquence d'instructions pour quand et comment tirer sur les câbles.
Imaginez maintenant une deuxième boîte identique.Cette fois, vous tirez sur un câble et voyez que lorsqu'il émerge, quelques autres câbles sont retirés à l'intérieur.De toute évidence, à l'intérieur de la boîte, ces câbles sont en quelque sorte enchevêtrés les uns avec les autres.
La deuxième boîte est une analogie pour un ordinateur quantique, et la compréhension de la signification d'un programme quantique nécessite de comprendre l'enchevêtrement présent dans ses données.Mais la détection d'enchevêtrement n'est pas simple.Vous ne pouvez pas voir dans la boîte en bois, donc le mieux que vous puissiez faire est d'essayer de tirer des câbles et de raisonner attentivement sur lesquels sont empêtrés.De la même manière, les programmeurs quantiques doivent aujourd'hui raisonner à la main.C'est là que la conception de Twist aide à masser certaines de ces pièces entrelacées.
Les scientifiques ont conçu Twist pour être suffisamment expressif pour écrire des programmes pour des algorithmes quantiques bien connus et identifier les bogues dans leurs implémentations.Pour évaluer la conception de Twist, ils ont modifié les programmes pour introduire une sorte de bug qui serait relativement subtil pour un programmeur humain à détecter, et a montré que Twist pourrait automatiquement identifier les bogues et rejeter les programmes.
Ils ont également mesuré dans quelle mesure les programmes ont bien performé dans la pratique en termes d'exécution, qui avait moins de 4% des frais généraux par rapport aux techniques de programmation quantique existantes.
Pour ceux qui se méfient de la réputation «minable» de Quantum dans son potentiel pour briser les systèmes de chiffrement, Yuan dit qu'il n'est toujours pas très connu dans quelle mesure les ordinateurs quantiques seront en mesure d'atteindre leurs promesses de performance dans la pratique.«Il y a beaucoup de recherches qui se déroulent dans la cryptographie post-quantum, qui existe parce que même l'informatique quantique n'est pas tout-puissant.Jusqu'à présent, il existe un ensemble très spécifique d'applications dans lesquelles les gens ont développé des algorithmes et des techniques où un ordinateur quantique peut surpasser les ordinateurs classiques. »
Une prochaine étape importante consiste à utiliser Twist pour créer des langages de programmation quantique de niveau supérieur.Aujourd'hui, la plupart des langages de programmation quantique ressemblent encore à un langage d'assemblage, en enchaînant des opérations de bas niveau, sans la pleine conscience envers des choses comme les types de données et les fonctions, et ce qui est typique de l'ingénierie logicielle classique.
«Les ordinateurs quantiques sont sujets aux erreurs et difficiles à programmer.En introduisant et en raisonnement sur la «pureté» du code du programme, Twist fait un grand pas vers la facilité de programmation quantique en garantissant que les bits quantiques dans un code pur ne peuvent pas être modifiés par des bits qui ne sont pas dans ce code », explique Fred Chong,Le professeur d'informatique de Seymour Goodman à l'Université de Chicago et scientifique en chef à Super.tech.
Les travaux ont été soutenus, en partie, par le MIT-IBM Watson AI Lab, la National Science Foundation et le Bureau de la recherche navale.
