Mathieu
Dans un monde bruyant et imprécis, les 0 et les 1 définitifs des ordinateurs d’aujourd’hui peuvent nuire à la précision des réponses aux problèmes réels complexes. C’est ce que dit un nouveau domaine de recherche qui révolutionne l’informatique en utilisant une forme de calcul appelée calcul probabiliste. Et maintenant, une équipe de chercheurs du MIT a créé une nouvelle façon de générer des bits probabilistes (p-bits) à des taux beaucoup plus élevés en utilisant la photonique pour exploiter les oscillations quantiques aléatoires dans l’espace vide.
La façon déterministe dont les ordinateurs conventionnels fonctionnent n’est pas adaptée pour traiter l’incertitude et l’aléatoire présents dans de nombreux processus physiques et systèmes complexes. Le calcul probabiliste promet de fournir une façon plus naturelle de résoudre ce genre de problèmes en construisant des processeurs à partir de composants qui se comportent de manière aléatoire eux-mêmes.
Cette approche est particulièrement adaptée aux problèmes d’optimisation complexes avec de nombreuses solutions possibles, ou à l’apprentissage automatique sur de très grands ensembles de données incomplets où l’incertitude est un problème. Le calcul probabiliste pourrait permettre de découvrir de nouvelles perspectives dans les simulations météorologiques et climatiques, par exemple, ou dans la détection de spam et les logiciels de lutte contre le terrorisme, ou encore dans l’IA de nouvelle génération.
L’équipe peut maintenant générer 10 000 p-bits par seconde. Le p-circuit est-il le prochain ? Les éléments fondamentaux d’un ordinateur probabiliste sont appelés p-bits et sont équivalents aux bits des ordinateurs classiques, sauf qu’ils fluctuent entre 0 et 1 en fonction d’une distribution de probabilité. Jusqu’à présent, les p-bits étaient construits à partir de composants électroniques exploitant les fluctuations aléatoires de certaines caractéristiques physiques.
Mais dans un nouvel article publié dans le dernier numéro de la revue Science, l’équipe du MIT a créé le premier p-bit photonique de l’histoire. L’intérêt d’utiliser des composants photoniques est qu’ils fonctionnent beaucoup plus rapidement et sont considérablement plus économes en énergie, explique Charles Roques-Carmes, chercheur en sciences à l’université de Stanford et chercheur invité au MIT, qui a travaillé sur le projet pendant son postdoc au MIT. “Le principal avantage est que vous pourriez théoriquement générer un très grand nombre de nombres aléatoires par seconde”, ajoute-t-il.
Au cœur de leur p-bit se trouve un composant appelé oscillateur paramétrique optique (OPO), qui est essentiellement une paire de miroirs qui font rebondir la lumière entre eux. Cependant, la lumière ne se déplace pas dans un vide physique de la même manière que l’espace extérieur est un vide. “Nous ne pompions pas réellement dans le vide”, explique Roques-Carmes. “En théorie, c’est dans l’obscurité. Nous n’envoyons pas de lumière. Et c’est ce que nous appelons l’état de vide en optique. En moyenne, il n’y a tout simplement pas de photon dans la cavité.”
Lorsqu’un laser est injecté dans la cavité, la lumière oscille à une fréquence spécifique. Mais à chaque fois que l’appareil est mis sous tension, la phase de l’oscillation peut prendre l’un des deux états. L’état dans lequel il se stabilise dépend de phénomènes quantiques connus sous le nom de “fluctuations du vide”, qui sont intrinsèquement aléatoires. Cet effet quantique est à l’origine de phénomènes bien connus tels que le décalage de Lamb des spectres atomiques et les forces de Casimir et de van der Waals présentes dans les nanosystèmes et les molécules, respectivement.
“Nous pouvons conserver l’aspect aléatoire qui découle de l’utilisation de la physique quantique, mais d’une manière que nous pouvons contrôler”, explique Charles Roques-Carmes, de l’université de Stanford.
Les OPO ont déjà été utilisés pour générer des nombres aléatoires, mais pour la première fois, l’équipe du MIT a montré qu’elle pouvait exercer un certain contrôle sur l’aléa de la sortie. En injectant de très faibles impulsions laser dans l’oscillateur – si faibles qu’il y a moins d’un photon par impulsion en moyenne – ils pouvaient modifier la probabilité avec laquelle il prend un état de phase particulier.
Cette capacité à influencer, mais pas à déterminer de manière certaine, l’état de phase de l’OPO en fait un moyen prometteur de générer des p-bits, selon les chercheurs. “Nous pouvons conserver l’aspect aléatoire qui découle de l’utilisation de la physique quantique, mais d’une manière que nous pouvons contrôler la distribution de probabilité générée par ces variables quantiques”, explique Roques-Carmes.
L’équipe affirme avoir pu générer 10 000 p-bits par seconde de signal obéissant à une distribution de probabilité donnée. En d’autres termes, ils peuvent créer 10 kilo-p-bits par seconde qui, avec la technologie de calcul probabiliste actuelle, semblent se comporter de la manière nécessaire pour construire un ordinateur probabiliste.
L’équipe a construit son dispositif à l’aide d’un grand ensemble de composants optiques, de sorte que la construction d’un ordinateur probabiliste pratique en utilisant ces principes demandera beaucoup de travail. Mais Yannick Salamin, postdoc au Laboratoire de recherche électronique du MIT, affirme qu’il n’y a pas de obstacles fondamentaux. “Nous voulions montrer la physique, c’est pourquoi nous avons construit ce grand système”, dit-il. “Mais si vous êtes intéressé par la mise à l’échelle et la miniaturisation, il existe des experts dans ce domaine qui peuvent le faire.”
Kerem Camsari, professeur adjoint d’EECS à l’université de Californie à Santa Barbara, dit que le travail du groupe du MIT est “très excitant”, mais il aimerait voir cette preuve de concept développée à une plus grande échelle que celle des seuls p-bits individuels. “Ce serait bien de voir des travaux de suivi aller au-delà des p-bits individuels vers des p-circuits photoniques corrélés”, dit-il.
Morgan Mitchell, professeur d’optique quantique atomique à l’Institut des sciences photoniques (ICFO) de l’université technique de Catalogne à Barcelone, déclare que le nouveau travail “est intéressant dans le contexte de l’informatique optique classique”, mais il met en garde contre une interprétation excessive des résultats initiaux. “Il sera intéressant de voir si les auteurs peuvent quantifier” dans quelle mesure l’état des p-bits est dû à l’aléa généré par le vide plutôt qu’à d’autres sources d’apparente aléa comme le bruit environnemental ou les imperfections des dispositifs.
