Le meilleur ordinateur photonique fonctionnant Ă tempĂ©rature ambiante est crĂ©Ă© Ă l’UniversitĂ© ĐăÉ«Ö±˛Ą
Des scientifiques de l’UniversitĂ© ĐăÉ«Ö±˛Ą et de l’UniversitĂ© Queen’s ont construit une version amĂ©liorĂ©e d’un ordinateur qui utilise la lumière pour rĂ©soudre des problèmes extrĂŞmement difficiles plus rapidement et Ă plus grande Ă©chelle que les systèmes existants, sans recours au refroidissement cryogĂ©nique.
Bon nombre des problèmes les plus difficiles à solutionner en science et en génie, qu’il s’agisse de la prédiction du repliement des protéines ou de l’optimisation d’itinéraires de transport, appartiennent à la catégorie des « problèmes non déterministes polynomiaux ». Comme ces problèmes intègrent de plus en plus de variables ou de scénarios, le nombre de solutions possibles explose et le temps nécessaire à leur résolution à l’aide d’ordinateurs classiques augmente de manière exponentielle.
« Cette complexification exponentielle agit comme un vĂ©ritable goulot d’étranglement qui fait obstacle au progrès dans plusieurs domaines », explique David Plant, titulaire d’une chaire de recherche du Canada de niveau I, auteur en chef de l’étude publiĂ©e dans Nature et professeur de gĂ©nie Ă©lectrique Ă l’UniversitĂ© ĐăÉ«Ö±˛Ą.
Construction d’une machine d’Ising
Pour contrer cet obstacle, l’équipe a fabriqué une machine d’Ising photonique, un système informatique non traditionnel qui modélise des problèmes complexes à l’aide de la physique de la lumière. Contrairement à d’autres approches informatiques non traditionnelles qui peinent à s’adapter à la complexité des problèmes et à rester stables, ou qui ont besoin d’un refroidissement cryogénique, cette machine fonctionne à température ambiante et est conçue pour rester stable à mesure que les problèmes se complexifient.
Les solveurs d’Ising numériques précédents utilisaient des ordinateurs en grappes pour émuler le modèle d’Ising, ce qui exigeait une quantité considérable d’énergie et de ressources consacrées à la résolution des calculs. Les machines d’Ising physiques sont instables et ont de la difficulté à maîtriser un grand nombre de paramètres physiques, ce qui limite leurs applications pratiques à des problèmes de calcul avancé à petite échelle.
Pour construire l’ordinateur composé de plus de 20 composants optiques ultrasensibles, l’équipe a élaboré de nouveaux algorithmes de commande et de nouvelles méthodes de traitement du signal afin d’accélérer les calculs et de maintenir la stabilité du système.
« Nous avons construit la machine d’Ising photonique dans son entièretĂ© », explique Charles St-Arnault, auteur [ED1] principal et doctorant Ă l’UniversitĂ© ĐăÉ«Ö±˛Ą. « L’assemblage de plusieurs composants ultrasensibles, l’écriture d’algorithmes de commande entièrement nouveaux et le traitement numĂ©rique des signaux ont Ă©tĂ© nĂ©cessaires pour maintenir la stabilitĂ© du système. Nous avons constatĂ© que les algorithmes de traitement des signaux accĂ©lĂ©raient le calcul, rĂ©duisant ainsi le nombre d’itĂ©rations nĂ©cessaires pour atteindre la solution optimale. »
L’équipe de recherche souligne que sa machine d’Ising photonique est la plus extensible et la plus stable qui existe. De plus, elle fonctionne à la vitesse de calcul la plus élevée jamais atteinte pour un système photonique, soit 212 giga-opérations par seconde pour un seul cœur de calcul.
« Cette nouvelle machine d’Ising photonique nous permet de résoudre des problèmes d’une ampleur sans précédent, toutes catégories de machines d’Ising analogiques confondues », se réjouit Charles St-Arnault.
Pour valider son concept, l’équipe a utilisé la plateforme pour résoudre des problèmes concrets, notamment le repliement des protéines, important dans la compréhension des maladies et la mise au point de médicaments. La performance de la machine a surpassé celle des systèmes basés sur le recuit quantique. Ces derniers sont l’une des principales technologies concurrentes utilisées dans la résolution de problèmes d’optimisation difficiles, mais ils sont coûteux, s’ajustent péniblement à la complexité des problèmes et nécessitent un refroidissement cryogénique.
Des solutions plus rapides et moins coûteuses à des problèmes complexes
L’équipe de recherche affirme que cette optimisation plus rapide et plus extensible pourrait accélérer la découverte de médicaments, améliorer la mise au point de vaccins, et réduire les coûts et les émissions en logistique et en transport.
« Cette étude est importante, car elle ouvre la voie à la résolution de problèmes complexes beaucoup plus rapidement, à moindre coût et avec une faible consommation d’énergie, précise l’équipe. La nouvelle machine d’Ising photonique fonctionne à très grande vitesse et à température ambiante, et elle s’adapte à des problèmes d’une ampleur qui était auparavant hors de portée, même pour les ordinateurs quantiques. »
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L’article « », par Charles St-Arnault, David Plant et leurs collègues à l'Université Queens a été publié dans Nature.
