Qu'est-ce que l'informatique quantique et comment ça marche ?
Des géants de la technologie comme Google, IBM, Amazon et Microsoft investissent des ressources dans l'informatique quantique. L'objectif de l'informatique quantique est de créer la prochaine génération d'ordinateurs et de dépasser les limites de l'informatique classique.
Malgré les progrès, il existe encore des zones inconnues dans ce domaine émergent.
Cet article est une introduction aux concepts de base de l'informatique quantique. Vous apprendrez qu'est-ce que l'informatique quantique et comment elle fonctionne , ainsi que ce qui distingue un appareil quantique d'une machine standard.
Qu'est-ce que l'informatique quantique ? Défini
L'informatique quantique est une nouvelle génération d'ordinateurs basés sur la mécanique quantique, une branche de la physique qui étudie les particules atomiques et subatomiques. Ces superordinateurs effectuent des calculs à des vitesses et à des niveaux qu'un ordinateur ordinaire ne peut pas gérer.
Voici les principales différences entre un appareil quantique et un ordinateur de bureau ordinaire :
- Architecture différente : Les ordinateurs quantiques ont une architecture différente des appareils conventionnels. Par exemple, au lieu de mémoires ou de processeurs traditionnels à base de silicium, différentes plates-formes technologiques, telles que des circuits supraconducteurs et des ions atomiques piégés, sont utilisées.
- Cas d'utilisation de calculs intensifs : Un utilisateur occasionnel pourrait ne pas avoir beaucoup besoin d'un ordinateur quantique. L'importance du calcul et la complexité de ces machines les rendent adaptées aux environnements d'entreprise et scientifiques dans un avenir prévisible.
Contrairement à un ordinateur standard, son homologue quantique peut effectuer plusieurs opérations simultanément. Ces machines stockent également plus d'états par unité de données et fonctionnent sur des algorithmes plus efficaces.
L'incroyable puissance de traitement rend les ordinateurs quantiques capables de résoudre des tâches complexes et de parcourir des données non triées.
À quoi sert l'informatique quantique ? Cas d'utilisation de l'industrie
L'adoption d'ordinateurs plus puissants profite à toutes les industries. Cependant, certains domaines se présentent déjà comme d'excellentes opportunités pour les ordinateurs quantiques de se faire une place :
- Soins de santé : Les ordinateurs quantiques aident à développer de nouveaux médicaments à un rythme plus rapide. La recherche sur l'ADN bénéficie également grandement de l'utilisation de l'informatique quantique.
- Cybersécurité : La programmation quantique peut faire progresser le chiffrement des données. Le nouveau système Quantum Key Distribution (QKD), par exemple, utilise des signaux lumineux pour détecter les cyberattaques ou les intrus sur le réseau.
- Finance : Les entreprises peuvent optimiser leurs portefeuilles d'investissement avec des ordinateurs quantiques. Des améliorations des systèmes de détection et de simulation de fraude sont également probables.
- Transport : Les ordinateurs quantiques peuvent faire progresser les systèmes de planification du trafic et l'optimisation des itinéraires.
Que sont les Qubit ?
La clé de la puissance d'un ordinateur quantique est sa capacité à créer et à manipuler des bits quantiques, ou qubits.
Voici l'état d'un qubit q0 :
q0 = a|0> + b|1>, where a2 + b2 = 1
La vraisemblance de q0 être 0 lorsqu'il est mesuré est un 2 . La probabilité qu'il soit 1 lorsqu'il est mesuré est b 2 . En raison de sa nature probabiliste, un qubit peut être à la fois 0 et 1 en même temps.
Pour un qubit q0 où a =1 et b =0, q0 équivaut à un bit classique de 0. Il y a 100 % de chances d'atteindre une valeur de 0 lorsqu'elle est mesurée. Si a =0 et b =1, alors q0 est équivalent à un bit classique de 1. Ainsi, les bits binaires classiques de 0 et 1 sont un sous-ensemble de qubits.
Maintenant, regardons un circuit vide dans IBM Circuit Composer avec un seul qubit q0 (Figure 1). Le graphique "Probabilités de mesure" montre que le q0 a 100 % d'être mesuré comme 0. Le graphique "Statevector" montre les valeurs de a et b, qui correspondent respectivement aux colonnes 0 et 1 "états de base de calcul".
Dans le cas de la figure 1, a est égal à 1 et b à 0. Donc, q0 a une probabilité de 1 2 =1 à mesurer comme 0.
Un groupe de qubits connectés fournit plus de puissance de traitement que le même nombre de bits binaires. La différence de traitement est due à deux propriétés quantiques :superposition et enchevêtrement .
Superposition en informatique quantique
Lorsque 0 2 et b 2 .
La porte Hadamard est la porte de base de l'informatique quantique. La porte Hadamard fait passer le qubit d'un état de non-superposition de 0 ou 1 à un état de superposition. Dans un état de superposition, il y a une probabilité de 0,5 qu'il soit mesuré comme 0. Il y a aussi une chance de 0,5 que le qubit se termine par 1.
Regardons l'effet de l'ajout de la porte Hadamard (représentée par un H rouge) sur q0 où q0 est actuellement dans un état de non-superposition de 0 (Figure 2). Après avoir passé la porte Hadamard, le graphique "Probabilités de mesure" montre qu'il y a 50 % de chances d'obtenir un 0 ou un 1 lorsque q0 est mesuré.
Le graphique "Statevector" montre la valeur de a et b, qui sont tous deux des racines carrées de 0,5 =0,707. La probabilité que le qubit soit mesuré à 0 et 1 est de 0,707 2 =0,5, donc q0 est maintenant dans un état de superposition.
Que sont les mesures ?
Lorsque nous mesurons un qubit dans un état de superposition, le qubit saute dans un état de non-superposition. Une mesure modifie le qubit et le force à sortir de la superposition à l'état 0 ou 1.
Si un qubit est dans un état de non-superposition de 0 ou 1, le mesurer ne changera rien. Dans ce cas, le qubit est déjà dans un état de 100 %, soit 0 ou 1 lorsqu'il est mesuré.
Ajoutons une opération de mesure dans le circuit (Figure 3). Nous mesurons q0 après la porte Hadamard et sortir la valeur de la mesure sur le bit 0 (un bit classique) en c1 :
Pour voir les résultats du q0 mesure après la porte Hadamard, nous envoyons le circuit s'exécuter sur un véritable ordinateur quantique appelé "ibmq_armonk .” Par défaut, il y a 1024 exécutions du circuit quantique. Le résultat (Figure 4) montre qu'environ 47,4 % du temps, le q0 la mesure est 0. Les autres 52,6 % des fois, elle est mesurée comme 1 :
La deuxième analyse (Figure 5) donne une distribution différente de 0 et 1, mais toujours proche de la répartition 50/50 attendue :
Intrication dans l'informatique quantique
Si deux qubits sont dans un état d'intrication, la mesure d'un qubit « effondre » instantanément la valeur de l'autre. Le même effet se produit même si les deux qubits intriqués sont éloignés.
Prenons un exemple. Une opération quantique qui met deux qubits démêlés dans un état intriqué est la porte CNOT. Pour le démontrer, nous ajoutons d'abord un autre qubit q1 , qui est initialisé à 0 par défaut. Avant la porte CNOT, les deux qubits sont démêlés, donc q0 a 0,5 chance d'être 0 ou 1 en raison de la porte Hadamard, tandis que q1 va être 0. Le graphique "Probabilités de mesure" (Figure 6) montre que la probabilité de (q1 , q0 ) étant (0, 0) ou (0, 1) vaut 50 % :
Ensuite, nous ajoutons la porte CNOT (représentée par un point bleu et le signe plus) qui prend la sortie de q0 de la porte Hadamard et q1 comme entrées. Le graphique "Probabilités de mesure" indique désormais qu'il y a 50 % de chances que (q1 , q0 ) étant (0, 0) et 50 % d'être (1, 1) lorsqu'il est mesuré (Figure 7) :
Il n'y a aucune chance d'obtenir (0, 1) ou (1, 0). Une fois que nous avons déterminé la valeur d'un qubit, nous connaissons la valeur de l'autre car les deux doivent être égaux. Dans un tel état, q0 et q1 sont emmêlés.
Exécutons ceci sur un ordinateur quantique réel et voyons ce qui se passe (Figure 8) :
Nous sommes proches d'une répartition 50/50 entre les états « 00 » et « 11 ». Nous voyons également des occurrences inattendues de "01" et "10" en raison des taux d'erreur élevés de l'ordinateur quantique. Alors que les taux d'erreur pour les ordinateurs classiques sont presque inexistants, les taux d'erreur élevés sont le principal défi de l'informatique quantique.
Le circuit Bell n'est qu'un point de départ
Le circuit illustré dans la section "Enchevêtrement" s'appelle le circuit Bell. Même s'il est basique, ce circuit montre quelques concepts et propriétés fondamentaux de l'informatique quantique, à savoir les qubits, la superposition, l'intrication et les mesures. Le circuit Bell est souvent cité comme le programme Hello World pour l'informatique quantique.
À ce stade, vous avez probablement de nombreuses questions, telles que :
- Comment représentons-nous physiquement l'état de superposition d'un qubit ?
- Comment mesurons-nous physiquement un qubit, et pourquoi cela forcerait-il un qubit à 0 ou 1 ?
- Quel est exactement le |0> et le |1> dans la formulation de qubit ?
- Pourquoi faire un 2 et b 2 correspond à la chance qu'un qubit soit mesuré comme 0 et 1 ?
- Quelles sont les représentations mathématiques des portes Hadamard et CNOT ? Pourquoi les portes placent-elles les qubits dans des états de superposition et d'intrication ?
- Peut-on expliquer le phénomène d'intrication ?
Il n'y a pas de raccourcis pour apprendre l'informatique quantique. Le domaine touche à des sujets complexes couvrant la physique, les mathématiques et l'informatique.
Il existe une abondance de bons livres et de didacticiels vidéo qui présentent la technologie. Ces ressources couvrent généralement des concepts prérequis tels que l'algèbre linéaire, la mécanique quantique et l'informatique binaire.
En plus des livres et des didacticiels, vous pouvez également apprendre beaucoup d'exemples de code. Les solutions d'optimisation du portefeuille financier et de routage des véhicules, par exemple, sont d'excellents points de départ pour en savoir plus sur l'informatique quantique.
La prochaine étape de l'évolution informatique
Les ordinateurs quantiques ont le potentiel de dépasser même les supercalculateurs les plus avancés. L'informatique quantique peut entraîner des percées dans les domaines de la science, de la médecine, de l'apprentissage automatique, de la construction, des transports, des finances et des services d'urgence.
La promesse est évidente, mais la technologie est encore loin d'être applicable à des scénarios réels. Cependant, de nouvelles avancées émergent chaque jour, alors attendez-vous à ce que l'informatique quantique provoque des perturbations importantes dans les années à venir.
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