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Et si l’avantage quantique était énergétique?

Demand à une ou une spécialiste des applied sciences quantiques de citer les avantages de celles-ci sur leurs équivalents classiques, ils et elles vous répondraient sans doute: une puissance de calcul supérieure, des échanges plus sécurisés, un traitement plus efficace des données. Et ils auraient raison. Ce sont effectivement les bénéfices toujours mis en avant par ceux qui guident la recherche et l’allocation des financements dans ce domaine.

Et s’il y avait en fait une autre réponse à cette query? And if the quantiques applied sciences pouvaient l’emporter sur les applied sciences classiques non pas dans la course à la efficiency, mais dans la course à la sobriété? Alors that the query of assets consommées par les quantiques applied sciences n’est que très peu discutée, des voix commencent à se faire entendre, qui plaident por que leur empreinte énergétique turns into the variable that permits to inspire leur déploiement. Parmi les propositions d’motion, plusieurs sont rassemblées sous la bannière de la Quantum Vitality Initiative (ou “QEI”, pour “Initiative pour l’énergie quantique”). L’objectif ? Faire emerge a quantum benefit of nature vitality.

A mix of experience

The philosophie of the cette initiative is from the federation of scientists, industries, political and monetary decision-makers with a purpose to work arduous and be sure that the implementation of quantitative applied sciences is accompanied by an optimization of leur coût en ressources physiques, notamment énergétiques, et ce tout au lengthy de leur elaboration. Cette ambition allow d’éviter les “voies sans points”, c’est-à-dire le développement de applied sciences que ne seront par la suite pas utilisées, automotive trop coûteuses énergétiquement malgré leur benefice when it comes to puissance de calcul par exemple.

“Un tel objectif ne pourra être atteint qu’en associant différents champs du savoir. Automotive les performances émergent calculoires au quantique, donc microscopique. Tandis que la consommation énergétique, elle, manifesta au macroscopic degree”, supported by Alexia Auffèves, director of the CNRS analysis at MajuLab (Singapour) and co-founder of the QEI with Robert Whitney, physicist at Laboratoire de physique et modélisation des milieux condensés (Grenoble), et Olivier Ezratty, marketing consultant en technologie numérique. Seule une coopération entre recherche fundamentale et ingénierie peut mener à des relations étroites entre performances de calcul et empreinte énergétique réduite.

“In the event you activate the particular instance of the calculation, the efficiency will depend upon which level is able to good management of the qubits (Quantum equivalents of bits in informatique classique, ndlr) et de diminuer le bruit quantiquand, c’est-à-dire le taux d’erreur par unité de tempsrebuked the physicienne. Donc, quand on s’intéresse à la efficiency, tout se joue au niveau microscopique.” Optimiser ces performances relève essentiellement de l’algorithmique, des codes correcteurs d’erreurs et du contrôle quantique. However, if he’s questioned concerning the needed macroscopic assets to appreciate these performances, he’s keen on enabling applied sciences, with cells that enable refrigeration (cryogénie) or the digital management system that pilots the system. quantique. “For instance, this can be a même de casser une clé de chiffrement cryptografique demande à ce les qubits utilisés pour y arriver soient refroidisexpose Alexia Auffèves. It raises the query: what’s the cryogenic power that je dois consommer pour être succesful de garantir cette temperature?

Coût énergétique d’enfermer a Schrödinger chat

“A calculus quantique stems from the preparation and evolution management of the states of an excellent identify of qubits: this can be a Schrödinger chat expertise, rebuked Alexia Auffèves. Pose the query du coût en ressources revient à demander quelle quantité d’énergie il faut pour enfermer un chat mort et vivant dans une boîte. C’est une magnifique fundamentale query, encore largely unexplorée, que suppose d’articular les échelles quantiques et classiques, microscopiques et macroscopiques.”

Quantum thermodynamics, particularly, fournit déjà des clés pour comprehend le coût en ressources au elementary degree, with a purpose to consider des états quantiques intéressants pour le calcul. If I consider that information has turn out to be technologically related, I’ll perceive that the foundations are “amplified” on the macroscopic degree.

A necessary cause for the useful resource is the necessity to management the “chat” processor in programs of expertise, and the measurer to extract the knowledge. Consequently, the quantum processor is constantly in touch with the overseas world. “Le processeur quantique est ce que l’on appelle un système quantique ouvert. C’est-à-dire que c’est un objet que l’on peut contrôler d’une half, mais qui va être soumis au bruit d’autre halfspecify Alexia Auffèves. Plus the management over bruit is sweet, plus the efficiency is sweet.”

Et pour augmenter le degree of management sur bruit, there are deux stratégies. The premiere consists of augmenting the bruit fixed management. “Ce qui veut dire “aller plus vite que le bruit”, make specific the physicienne. As a result of le bruit est un taux d’erreur par unité de temps, on peut s’arranger pour faire un circuit quantique que calcule beaucoup plus vite que le taux d’erreur. Auquel cas le bruit could be innocent.” La seconde stratégie, elle, cherche au contraire à réduire le bruit le plus doable. “Ce qui signifie isoler mieux, fabriquer de meilleurs qubits, appropriate les erreurs”, exactly encore Alexia Auffèves. Extra augmenter le degree of management sur bruit demande des optimizations fins. In impact, cela appelle plus de ressources, qui peuvent engendrer du bruit supplémentaire. Bruit qui, à l’inverse du souhait preliminary, diminishes the efficiency.

Un cadre mélangeant métrique, bruit et ressources

Cette aspiration à vouloir maximiser l’efficacité énergétique in visant l’optimization incarne tout ce que est attendu de l’articulación entre recherches elementary et macroscopiques, voulue par l’initiative QEI.

With a purpose to discover a frequent language that permits truthful communication to successfully talk with a specialist in cryogenesis with a quantum thermodynamics or data know-how, Alexia Auffèves proposes to outline a cadre with the identify “MNR”, for metrics (metric), noise (bruit) et Assets (assets). “Ce que l’on veut fairespecifie-t-elle, c’est effectuer un sure calcul avec une certaine métrique de efficiency (M). Mais ce qui nous empêche de réaliser notre calcul avec la métrique de efficiency visée, c’est le bruit (N). Et ce que l’on va mettre en œuvre pour contrar ce bruit, c’est de tenter d’améliorer le contrôle en utilisant plus de ressources (R).”

The enjeu is donc d’arriver à an entire modèle that permits to mannequin on the microscopic degree of M and N, and on the macroscopic degree of R, and to grasp the interdependences between these three portions. “Une fois notre modèle complet établi, con visera une métrique de efficiency particulière, donc un M particulier. Notre bruit, le N, est donné par la nature. Le however sera, sachant N, d’atteindre le M visé en minimisant la consommation of R”resume-t-elle.

Reduce the consommation of R sous-entend d’impose une contrainte sur les ressources. As a result of the efficiency à tout prix est ce qui a été visé jusqu’alors, sans considération aucune pour le coût énergétique que cela amène et donc sans nécessité d’imposer une quelcon que restrict sur l’utilization des ressources mises en jeu, l’impression qu ‘aurait une telle limitation n’a pas été étudié.

Construire des ordinateurs quantiques économes grace aux supercalculateurs classiques

The “théorème du seuil quantique”, for instance, stipulates that there is no such thing as a restrict to the rise within the accuracy of the algorithms applied by a quantified pc as long as the taux d’erreur is located in permanence sous une certaine valeur, ne pas en Compte contraints in ressources. What devient-il lorsque c’est le cas ? C’est la query à laquelle a tâché de répondre Marco Fellous-Asiani lorsqu’il était doctorant en physique à l’institut Néel, à Grenoble: “Lorsque l’on a restricted useful resource, comme l’energie, il peut se passer que le bruit augmente de telle sorte que le taux d’erreur devient superior au seuil.” À l’inverse de ce que disait el théorème initiallyement, en limitant l’énergie utilisée, un ordinateur peut bel et bien atteindre une précision maximale. “Le theorème tel qu’il es stipulé est appropriate. C’est juste qu’il fait l’hypothèse qu’en augmentant le nombre de qubits, le bruit reste toujours sous le seuilspecify Marco Fellous-Asiani. Extra, in actuality, it’s pourrait que, pour certaines applied sciences, cette hypothèse soit fausse. Ce sont d’ailleurs de vrais problèmes expérimentaux, et c’est l’une des raisons pour lesquelles on n’arrive pas encore à avoir des ordinateurs quantiques performants.”

Know that in limitation of the vitality used there might be a degree the place the precision of the calculation is degraded, permitting the calculation of essentially the most advanced calculation that’s doable with an effector with a pc and a donated vitality help. “Mais on peut aussi inverser le problème et se sue: “quelle est l’énergie dont j’ai besoin pour faire ce calcul?” Ce qui permet de minimiser le besoin énergétique pour faire un calcul donné. Et ça, ça va totalement dans le sens de l’initiative”guarantee Marco Fellous-Asiani.

Chercher la efficiency fait intervene de très gros algorithmes, qui demandent beaucoup de corrections d’erreurs, “et in all probability decennies de recherches”Full Marco Fellous-Asiani. In return, in changeant l’état d’esprit avec lequel on aborde l’avantage quantique et donc, par exemple, in se disant dès le départ que l’on veut I’ll construct a quantique ordinateur économe, the quantique supremacy, which might be alors d ‘ordre énergétique, sera bien plus easy à atteindre. “Automotive pour cela il n’y a pas besoin d’aller chercher ces très gros algorithmes que nécessitent d’utiliser des dizaines de tens of millions de qubits. On peut essayer d’implementer des algorithmes qui tournent aujourd’hui sur des supercalculateurs classiques, beaucoup plus straightforward to implement on a quantum pc. With this frame of mind, the vitality benefit pourrait is the primary benefit that’s clear, and one of many biggest motivations to construct the quantum pc”concluded Marco Fellous-Asiani.

Par Évrard-Ouicem Eljaouhari

Illustration d’ouverture : Dessin d’un processor quantique (credit score: Sakkmesterke/AAT/Science Photograph Library by way of AFP)

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