L'informatique quantique expliquée : fonctionnement, principes et enjeux

Des géants de la technologie comme Google, IBM, Amazon et Microsoft investissent massivement dans l'informatique quantique. L'objectif est de créer la prochaine génération d'ordinateurs et de surmonter les limites de l'informatique classique.

Malgré les progrès, des zones d'ombre subsistent dans ce domaine émergent.

Cet article introduit les concepts de base de l'informatique quantique. Vous apprendrez ce qu'est 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 ? Définition

L'informatique quantique est une nouvelle génération d'ordinateurs basée sur la mécanique quantique, une branche de la physique qui étudie les particules atomiques et subatomiques. Ces supercalculateurs effectuent des calculs à des vitesses et des niveaux qu'un ordinateur ordinaire ne peut pas gérer.

Voici les principales différences entre un appareil quantique et un ordinateur de bureau classique :

• Architecture différente : Les ordinateurs quantiques ont une architecture différente des appareils conventionnels. Par exemple, au lieu de mémoires ou processeurs traditionnels à base de silicium, différentes plateformes technologiques comme les circuits supraconducteurs et les ions atomiques piégés sont utilisées.
• Cas d'utilisation à forte intensité de calcul : Un utilisateur occasionnel n'aura pas beaucoup d'utilité pour un ordinateur quantique. La focalisation sur le calcul intensif et la complexité de ces machines les rend 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 opèrent sur des algorithmes plus efficaces.

Une puissance de traitement incroyable rend les ordinateurs quantiques capables de résoudre des tâches complexes et de rechercher dans des données non triées.

À quoi sert l'informatique quantique ? Cas d'utilisation par secteur

L'adoption d'ordinateurs plus puissants bénéficie à tous les secteurs. Cependant, certains domaines se démarquent déjà comme d'excellentes opportunités pour les ordinateurs quantiques :

• Santé : Les ordinateurs quantiques aident à développer de nouveaux médicaments plus rapidement. La recherche sur l'ADN bénéficie également grandement de l'informatique quantique.
• Cybersécurité : La programmation quantique peut faire progresser le chiffrement des données. Le nouveau système de distribution de clés quantiques (QKD), par exemple, utilise des signaux lumineux pour détecter les cyberattaques ou les intrus réseau.
• Finance : Les entreprises peuvent optimiser leurs portefeuilles d'investissement avec des ordinateurs quantiques. Des améliorations dans la détection de fraude et les systèmes de simulation sont également probables.
• Transport : Les ordinateurs quantiques peuvent mener à des progrès dans les systèmes de planification du trafic et l'optimisation des itinéraires.

Que sont les qubits ?

La clé de la puissance d'un ordinateur quantique réside dans sa capacité à créer et manipuler des bits quantiques, ou qubits.

Voici l'état d'un qubit q₀ :

q0 = a|0⟩ + b|1⟩, où a2 + b2 = 1

La probabilité que q₀ soit 0 lorsqu'il est mesuré est a². La probabilité qu'il soit 1 lorsqu'il est mesuré est b². En raison de la 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 est équivalent à un bit classique de 0. Il y a 100 % de chances d'obtenir une valeur de 0 lors de la mesure. Si a = 0 et b = 1, alors q₀ est équivalent à un bit classique de 1. Ainsi, les bits binaires classiques 0 et 1 sont un sous-ensemble des qubits.

Regardons maintenant un circuit vide dans le compositeur de circuits IBM avec un seul qubit q₀ (Figure 1). Le graphique « Probabilités de mesure » montre que q₀ a 100 % de chances d'être mesuré comme 0. Le graphique « Vecteur d'état » montre les valeurs de a et b, qui correspondent respectivement à la colonne « états de base computationnels » 0 et 1.

Dans le cas de la Figure 1, a est égal à 1 et b à 0. Donc q₀ a une probabilité de 1² = 1 d'être mesuré comme 0.

Un groupe connecté de qubits fournit plus de puissance de traitement que le même nombre de bits binaires. La différence de traitement est due à deux propriétés quantiques : la superposition et l'intrication.

La superposition en informatique quantique

Lorsque 0 < a et b < 1, le qubit est dans un état dit de superposition. Dans cet état, il est possible de basculer vers 0 ou 1 lors de la mesure. La probabilité d'obtenir 0 ou 1 est définie par a² et b².

La porte de Hadamard est la porte de base en informatique quantique. Elle fait passer le qubit d'un état de non-superposition (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, et une probabilité de 0,5 qu'il se termine comme 1.

Regardons l'effet de l'ajout de la porte de Hadamard (montrée comme un H rouge) sur q₀ où q₀ est actuellement dans un état de non-superposition de 0 (Figure 2). Après le passage de la porte de Hadamard, le graphique « Probabilités de mesure » montre qu'il y a 50 % de chances d'obtenir un 0 ou 1 lorsque q₀ est mesuré.

Le graphique « Vecteur d'état » montre les valeurs de a et b, qui sont toutes deux des racines carrées de 0,5 = 0,707. La probabilité pour le qubit d'être mesuré à 0 et 1 est 0,707² = 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 vers un état de non-superposition. Une mesure change le qubit et le force à sortir de la superposition vers 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 % d'être 0 ou 1 lorsqu'il est mesuré.

Ajoutons une opération de mesure dans le circuit (Figure 3). Nous mesurons q₀ après la porte de Hadamard et sortons la valeur de la mesure vers le bit 0 (un bit classique) dans c1 :

Pour voir les résultats de la mesure de q₀ après la porte de 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, la mesure de q₀ est 0. Les autres 52,6 % du temps, elle est mesurée comme 1 :

La deuxième exécution (Figure 5) donne une distribution différente de 0 et 1, mais toujours proche du partage attendu 50/50 :

L'intrication en informatique quantique

Si deux qubits sont dans un état d'intrication, la mesure de l'un « effondre » instantanément la valeur de l'autre. Le même effet se produit même si les deux qubits intriqués sont loin l'un de l'autre.

Regardons un exemple. Une opération quantique qui met deux qubits non intriqués dans un état intriqué est la porte CNOT. Pour démontrer cela, nous ajoutons d'abord un autre qubit q₁, initialisé à 0 par défaut. Avant la porte CNOT, les deux qubits sont non intriqués, donc q₀ a 0,5 chance d'être 0 ou 1 grâce à la porte de 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) est de 50 % :

Puis nous ajoutons la porte CNOT (montrée comme un point bleu et le signe plus) qui prend la sortie de q₀ de la porte de Hadamard et q₁ comme entrées. Le graphique « Probabilités de mesure » montre maintenant qu'il y a 50 % de chances que (q₁, q₀) soit (0, 0) et 50 % d'être (1, 1) lorsqu'il est mesuré (Figure 7) :

Il y a zéro chance d'obtenir (0, 1) ou (1, 0). Une fois que nous déterminons 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 intriqués.

Exécutons cela sur un véritable ordinateur quantique et voyons ce qui se passe (Figure 8) :

Nous sommes proches d'une distribution 50/50 entre les états '00' et '11'. Nous voyons aussi des occurrences inattendues de '01' et '10' dues aux taux d'erreur élevés de l'ordinateur quantique. Alors que les taux d'erreur pour les ordinateurs classiques sont quasi inexistants, les taux d'erreur élevés sont le principal défi de l'informatique quantique.

Le circuit de Bell n'est qu'un point de départ

Le circuit montré dans la section « Intrication » s'appelle le circuit de Bell. Bien qu'il soit basique, ce circuit montre quelques concepts et propriétés fondamentaux de l'informatique quantique : qubits, superposition, intrication et mesures. Le circuit de Bell est souvent cité comme le programme « Hello World » de l'informatique quantique.

À ce stade, vous avez probablement de nombreuses questions, telles que :

• Comment représenter physiquement l'état de superposition d'un qubit ?
• Comment mesurer physiquement un qubit, et pourquoi cela le forcerait-il vers 0 ou 1 ?
• Que sont exactement |0⟩ et |1⟩ dans la formulation du qubit ?
• Pourquoi a² et b² correspondent-ils à la chance qu'un qubit soit mesuré comme 0 et 1 ?
• Quelles sont les représentations mathématiques des portes de Hadamard et CNOT ? Pourquoi les portes mettent-elles les qubits en superposition et en intrication ?
• Peut-on expliquer le phénomène d'intrication ?

Il n'y a pas de raccourci 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 tutoriels vidéo qui introduisent la technologie. Ces ressources couvrent généralement des concepts prérequis comme l'algèbre linéaire, la mécanique quantique et l'informatique binaire.

En plus des livres et tutoriels, vous pouvez aussi beaucoup apprendre d'exemples de code. Les solutions d'optimisation de portefeuille financier et de routage de véhicules, par exemple, sont d'excellents points de départ pour apprendre 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 mener à des percées dans la science, la médecine, l'apprentissage automatique, la construction, le transport, les finances et les services d'urgence.

La promesse est évidente, mais la technologie est encore loin d'être applicable à des scénarios réels. De nouvelles avancées émergent chaque jour, cependant, alors attendez-vous à ce que l'informatique quantique cause des perturbations significatives dans les années à venir.