Loin d’être un chimère de futuriste, la physique étrange et contradictoire de l’informatique quantique est bien plus proche de la réalité que beaucoup ne le supposent.
Une révolution informatique est sur le point d’arriver, mais comment fonctionnent les ordinateurs quantiques et que peuvent-ils nous aide à atteindre?
Cette forme d’informatique a mobilisé des milliards de dollars d’investissements de la part des plus grands acteurs du secteur, constitue l’un des domaines d’innovation à la croissance la plus rapide mais relativement calme de l’univers technologique.
Dans sa forme la plus élémentaire, l’informatique quantique fait référence à des machines extrêmement puissantes capables de traiter d’énormes quantités de données en s’appuyant sur la théorie de la mécanique quantique dans leur construction.
Un exemple d’ordinateur quantique vivant la puce quantique à 72 qubits de Google, baptisée Bristlecone , la plus puissante du genre construite à ce jour. La puce a été annoncée en mars et, malgré sa puissance, ne représente pas le saut nécessaire pour battre les ordinateurs classiques les plus rapides.
Des puces telles que Bristlecone sont en cours de construction par de nombreuses entreprises, notamment les leaders du secteur, IBM et D-Wave, pour servir de modèles aux futurs ordinateurs quantiques que les ingénieurs viseront pour pénétrer dans des territoires relativement étranges. La technologie évolue constamment alors que ces entreprises s’efforcent de construire des machines capables de résoudre des problèmes complexes en quelques secondes, là où un ordinateur conventionnel prendrait des décennies.
Mais comment ces machines énigmatiques, souvent source de confusion, fonctionnent-elles réellement et quelles sont les implications pour l’avenir de la technologie?
Qu’est-ce qui différencie l’informatique quantique de l’informatique «classique»?
L’informatique quantique a une histoire extrêmement riche ancrée dans la physique théorique hardcore; plus spécifiquement, la mécanique quantique. Et après des décennies de recherche et développement menés par une succession de physiciens et d’ingénieurs, nous disposons maintenant d’une poignée de machines relativement petites, mais prometteuses, qui servent de modèles à ce que l’informatique quantique pourrait devenir un jour.
Les ordinateurs tels que nous les connaissons, des ordinateurs de bureau volumineux à l’iPhone X, fonctionnent tous de la même manière, quelle que soit leur puissance ou leur taille. Ils effectuent des opérations en stockant des informations sous forme de bits conventionnels, sous la forme soit de 0, soit de 1.
Mais comme les calculs sont effectués de manière linéaire – avec chaque possibilité explorée séquentiellement -, ces ordinateurs prennent leur temps pour résoudre des problèmes mathématiques complexes. Les ordinateurs quantiques, en revanche, peuvent effectuer de nombreux calculs simultanément et produire des résultats beaucoup plus rapidement.
Ils se distinguent des ordinateurs classiques dans le sens où ils reposent sur un ensemble de principes scientifiques complètement différent. à savoir le comportement étrange et contre-intuitif du monde subatomique.
Qu’est ce que la matière subatomique:
Comme les photons par exemple, peut-elle se comporter à la fois comme des particules et comme des ondes – existant simultanément dans plusieurs états? Ajoutez à cela l’idée déroutante que les propriétés physiques des particules subatomiques n’existent pas à moins d’être observées directement. L’intrication quantique, quant à elle, explique comment des particules peuvent communiquer entre elles sans aucune inhibition, quelle que soit leur distance.
Ces principes sont difficiles à retenir car ils sont fondamentalement déroutants. Même le physicien Richard Feynman, lauréat du prix Nobel, a déclaré : « Je pense pouvoir affirmer en toute sécurité que personne ne comprend la mécanique quantique ».
Pourtant, quels que soient leurs sensibilités est floues, les chercheurs se sont efforcés de créer une manifestation physique de ces propriétés dans des machines appelées ordinateurs quantiques.
Comment fonctionnent les ordinateurs quantiques?
Tandis que les ordinateurs classiques codent l’information en bits, les ordinateurs quantiques utilisent des bits quantiques, ou qubits. Mais il y a une grande différence entre les deux.
Un bit peut être codé 1 ou 0, mais un bit quantique peut prendre la forme 1, 0 ou ce que l’on appelle une «superposition quantique de 1 et 0»; le qubit existe simultanément dans les deux états.
Cela ne veut pas dire qu’un qubit est égal à 1 et 0 en même temps – mais ce n’est pas faux non plus. Plutôt, une fois lue, la superposition s’effondre et on vous donne la probabilité de découvrir 1 ou 0. Jusque là, Primer . Mais comment cela fonctionne-t-il dans la pratique?
Deux bits, une fois cousus ensemble, peuvent exister en 00, 01, 10 ou 11; et un seul de ces états à la fois. Un ordinateur quantique à deux qubits, cependant, peut avoir les quatre états – 00, 01, 10 et 11 – simultanément.
Lorsque plusieurs qubits travaillent en tandem pour traiter des calculs, la combinaison d’états pouvant exister simultanément augmente de manière exponentielle. Une machine avec trois qubits, par exemple, peut exister dans huit états, quatre dans 16 états et une machine de 32 qubits peut exister dans une superposition quantique de près de 4,3 milliards d’états simultanés.
- Talia Gershon d’IBM illustre les capacités améliorées d’un ordinateur quantique en le comparant à la possibilité d’asseoir des invités autour d’une table: combien de possibilités y a-t-il d’asseoir dix personnes et quelle est la meilleure façon de les organiser?
Alors qu’un ordinateur classique tentera de résoudre ce problème en explorant chaque combinaison possible dans l’ordre, puis en les comparant, un ordinateur quantique peut modéliser les 3,6 millions de combinaisons en même temps – et trouver la meilleure réponse presque instantanément. C’est pour cette raison que l’informatique quantique ne consiste pas seulement à construire un ordinateur plus rapide, mais à fonctionner de manière fondamentalement différente de celle d’un ordinateur classique.
À quoi ressemble physiquement un ordinateur quantique et comment est-il construit?
Il existe une ressemblance inquiétante entre les clichés sépia des premiers ordinateurs classiques et les premiers ingénieurs en informatique quantique assemblés aujourd’hui. Mais sous le capot, les différences technologiques sont ahurissantes.
Un seul qubit comprend ce que les physiciens appellent un système de mécanique quantique à deux niveaux; une seule particule subatomique pouvant passer d’un état fondamental à un état excité lorsque de l’énergie est appliquée.
Il existe un certain nombre de candidats, notamment des photons, un noyau ou même un électron, chacun ayant un équivalent ou égal à 1 et 0. Le noyau, par exemple, représente «1 ou 0» via sa direction magnétique; spin-up ou spin-down.
Dans une expérience, les scientifiques ont utilisé un seul atome de phosphore soigneusement encapsulé dans une puce de silicium et monté à côté d’un minuscule transistor, alors que le MIT expérimentait il y a deux ans avec un qubit reposant sur la suppression d’un électron de cet atome et sa suspension dans l’espace libre à l’aide un champ électromagnétique.
L’électron, pour utiliser cet exemple, est d’abord suspendu dans un champ magnétique puissant, à l’aide d’un aimant supraconducteur ou d’un grand solénoïde, puis refroidi au zéro quasi absolu. Étant donné qu’aux températures ambiantes, toute particule utilisée comme qubit basculerait énormément entre accélération et accélération, ou à 1 et à 0, des températures de 0,0015 Kelvin (une nuance supérieure à -273 degrés Celcius) sont nécessaires pour la fixer en vrille -up ou spin-down position.
Ce n’est que maintenant, dans ce contexte, que l’énergie peut être appliquée à l’électron – transmis par l’intermédiaire de micro-ondes résonant avec la fréquence du champ magnétique – pour enregistrer des informations et les faire passer d’une rotation à l’autre, ou inversement.
La superposition quantique est obtenue en frappant le qubit avec une impulsion d’énergie puis en s’arrêtant, de sorte que l’électron se situe quelque part entre spin-down et spin-up. La superposition signifie que les qubits peuvent exister de nombreux états simultanés pour traiter des informations et effectuer des calculs – les lectures étant ensuite prises à partir du transistor.
Incidemment, la raison pour laquelle les ordinateurs quantiques sont si gros, malgré le fait qu’il manipule pour la plupart de minuscules particules subatomiques, est due au mécanisme nécessaire pour atteindre le zéro absolu – le réfrigérateur à dilution. C’est pour cette raison que la probabilité de construire un ordinateur quantique de la taille d’un smartphone est aussi mince que possible.
Qu’est-ce que l’informatique quantique et quels sont les objectifs?
Bien que les ordinateurs quantiques ne soient probablement jamais intégrés aux technologies grand public et professionnelles que nous utilisons quotidiennement, comme les smartphones ou les appareils 2 en 1, cela ne signifie pas que nos semblables ne peuvent pas y accéder, et même les utiliser.
Bien qu’ils s’engagent apparemment dans l’un des exercices les plus importants en matière de surenchère unique, les sociétés qui se font concurrence dans ce domaine déploient également des efforts considérables pour rendre cette technologie accessible en intégrant leur travail à la technologie en Cloud.
L’expérience d’IBM, par exemple, permet à quiconque – des employés de bureau ennuyés à la recherche d’une distraction aux chercheurs quantiques – de s’amuser avec un ordinateur quantique réel hébergé dans un laboratoire de recherche IBM. En utilisant leur plate-forme Cloud, les utilisateurs peuvent développer leurs propres algorithmes et mener des expériences.
Mais quels sont les moyens les plus pratiques d’utiliser les ordinateurs quantiques s’ils deviennent un peu plus répandus dans les années à venir? Il existe une poignée d’applications, de ce que l’on appelle l’optimisation à la simulation biomédicale.
Les ordinateurs quantiques étant essentiellement conçus pour traiter des problèmes mathématiques extrêmement complexes, l’optimisation est peut-être l’interaction la plus répandue avec laquelle les utilisateurs sont en interaction, via le modèle d’accès à distance actuellement utilisé par IBM, ou un système similaire.
L’exemple de la table à dîner utilisé par le Dr Talia Gershon d’IBM est l’exemple parfait de ce type de problème. Un autre peut être si un vendeur ambulant souhaite se frayer un chemin parmi les villes les plus efficaces; disons plus de 200.
D’autres applications peuvent être la cartographie du comportement des matériaux, ainsi que la formation des systèmes d’apprentissage automatique, de manière beaucoup plus efficace que nous ne le pouvons actuellement.
Quels que soient les problèmes qu’ils peuvent nous aider à résoudre, les chercheurs conviennent que les ordinateurs quantiques ne seront pas très efficaces tant qu’ils ne pourront pas stocker des milliers de millions de qubits, tout en maintenant des taux d’erreur faibles. IBM a même inventé le terme « volume quantique » afin de juger de l’efficacité d’une puce quantique – en prenant en compte une gamme de facteurs allant au-delà du nombre de qubits.
Bien que la taille de la puce Bristlecone ne soit que de 72 qubits, il s’agit d’une avancée considérable par rapport à ce que nous étions il y a dix ans à peine – et les progrès dans ce domaine ne devraient que s’accélérer.
Ce qui rend la puce de Google si prometteuse par un faible taux d’erreur. Ceci est crucial pour les perspectives de montée en puissance des ordinateurs quantiques, ce qui n’est donc pas surprenant que la société le considère comme un modèle pour des machines évolutives.
Les efforts de l’industrie ne faisant que s’intensifier, les perspectives de construction d’un ordinateur quantique de meilleure qualité et plus efficace dans un avenir pas trop lointain restent très prometteuses.
IBM et l’informatique quantique
IBM est sans doute le chef de file de la recherche quantique. Par le biais de sa division d’informatique quantique, IBM Q, la société s’efforce de rendre la technologie plus accessible, ce qui pourrait nous éclairer sur l’avenir de l’informatique quantique.
Cela se fait notamment via ses extensions Qisikit. Le programme open source permet aux chercheurs et aux développeurs d’explorer l’informatique quantique à l’aide de scripts Python. Vous pouvez même collaborer sur des demandes d’interactions informatiques quantiques. Cela signifie que vous n’avez pas besoin d’être un physicien pour participer – vous pouvez acquérir de l’expérience en composition de programmes à partir de votre ordinateur portable.
En plus de développer eux-mêmes des ordinateurs quantiques, IBM crée également un réseau d’entreprises et d’institutions universitaires afin de stimuler l’innovation dans le domaine de l’informatique quantique. L’objectif du réseau est de préparer tout le monde, des étudiants aux plus jeunes entreprises du Fortune 500, à la montée en puissance de cette technologie. Parmi les participants figurent Honda, le Massachusetts Institute of Technology et JP Morgan Chase & Co.
Le réseau a trois domaines d’intervention principaux: accélérer la recherche, développer des applications commerciales, éduquer et préparer. Pour accélérer la recherche, IBM fournit aux organisations participantes des connaissances et des outils permettant d’encourager une adoption généralisée. En termes de développement d’applications commerciales, les entreprises ont accès au Cloud IBM ainsi qu’aux extensions Qiskit, ce qui les incite à créer leurs propres innovations. Pour former et préparer, IBM forme les membres des organisations participantes et fournit un soutien.
Bien que l’informatique quantique courante ne soit pas encore imminente, IBM s’emploie à aider l’industrie naissante à prospérer grâce à une éducation et à une programmation accessibles.
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