Ordinateurs quantiques expliqués : 22 faits clés (édition 2021)

Les ordinateurs quantiques ne sont pas censés vérifier vos emails, mettre à jour votre statut, ou effectuer des tâches logicielles/matérielles normales. Au lieu de cela, ils sont basés sur quelque chose de plus compliqué — la Mécanique Quantique.

L'ordinateur quantique traite des particules beaucoup plus petites que la taille des atomes. À de telles échelles, les règles de la physique n'ont plus de sens. C'est là que des choses passionnantes commencent à se produire. Les particules peuvent aller et venir ou même exister simultanément. Ce type d'ordinateurs peut augmenter la puissance de calcul bien au-delà de ce qu'atteignent les ordinateurs conventionnels d'aujourd'hui.

Élaborons sur ce que nous savons de l'informatique quantique à présent. Nous avons rassemblé quelques faits intéressants sur les ordinateurs quantiques qui vont vous étonner.

1. Modèle de stockage de l'information

Les ordinateurs que nous utilisons aujourd'hui stockent les données en format binaire — une série de 0 et de 1. Chaque composant de mémoire est appelé un bit, et il peut être manipulé via des étapes de logique booléenne.

D'un autre côté, un ordinateur quantique stockerait les données soit comme un « 0 », un « 1 », soit une superposition quantique des deux états. Un tel bit quantique (aussi appelé Qubit) a une flexibilité bien plus grande par rapport à un système binaire.

Les qubits pourraient être implémentés en utilisant des particules avec deux états de spin — « haut » et « bas ». Un tel système pourrait être mappé sur un système de spin-1/2 effectif.

2. Vitesse fulgurante

Puisque les données dans les ordinateurs quantiques peuvent exister dans plus que les seuls états 0 et 1, ils peuvent effectuer des calculs en parallèle. Considérons un exemple simple ; si le qubit est dans une superposition d'état 0 et d'état 1, et qu'il effectue un calcul avec un autre qubit dans une superposition similaire, il laisserait quatre résultats — 0/1, 0/0, 1/0 et 1/1.

L'ordinateur quantique montrera le résultat ci-dessus lorsqu'il est dans un état de décohérence, qui dure (tant qu'il est dans une superposition d'états) jusqu'à ce qu'il s'effondre vers un seul état. La capacité d'effectuer plusieurs tâches simultanément est connue sous le nom de parallélisme quantique.

3. Sécurité redéfinie

La vitesse des ordinateurs quantiques est aussi une préoccupation majeure dans le domaine du chiffrement et de la cryptographie. Les systèmes de sécurité financière mondiaux d'aujourd'hui sont basés sur la factorisation de grands nombres (algorithmes RSA ou DSA) qui littéralement ne peuvent pas être cassés par les ordinateurs conventionnels dans la durée de vie de la Terre. Cependant, un ordinateur quantique pourrait factoriser ces nombres en un temps raisonnable.

D'un autre côté, les ordinateurs quantiques pourront fournir des fonctionnalités de sécurité inviolables. Ils pourront verrouiller des données cruciales (telles que transactions en ligne, comptes email) avec des chiffrements bien meilleurs.
De nombreux algorithmes ont été développés pour les ordinateurs quantiques — les plus connus sont l'algorithme de Grover (pour la recherche dans une base de données non structurée) et l'algorithme de Shor (pour la factorisation de grands nombres).

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4. Efficacité énergétique

La consommation d'énergie est le facteur critique de tout dispositif fonctionnant à l'électricité. Un vaste réseau de processeurs a besoin d'une alimentation électrique importante pour maintenir ses performances. Le supercalculateur le plus rapide au monde (Summit), par exemple, consomme 13 MW de puissance.

Cependant, les choses deviennent vraiment intéressantes avec les ordinateurs quantiques. Puisqu'ils utilisent l'effet tunnel quantique, ils réduiront la consommation d'énergie d'un facteur de 100 à 1000.

5. Les réalités alternatives

Selon la physique quantique, nous avons affaire à quelque chose appelé Multivers, où un problème peut avoir de nombreuses ou d'infinies solutions probables. Par exemple, vous pourriez lire cet article sur votre ordinateur portable. Dans un autre univers, vous pourriez le lire sur mobile en voyageant.

Un ordinateur quantique peut effectuer « n » tâches dans « n » univers parallèles et arriver au résultat. Si un ordinateur traditionnel fait « n » calculs en « n » secondes, un ordinateur quantique peut effectuer « n² » calculs dans le même temps.

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Vous vous souvenez peut-être que Deep Blue d'IBM était le premier ordinateur à battre un champion du monde d'échecs, Garry Kasparov, en 1997. L'ordinateur l'a fait en examinant 200 millions de coups possibles par seconde. Loin des capacités du cerveau humain ! Mais, s'il s'agissait d'une machine quantique, elle aurait calculé 1 billion de coups par seconde, 4 billions en 2 secondes, et 9 billions en 3 secondes.

6. Pourquoi il est difficile de construire des ordinateurs quantiques

Le problème avec les ordinateurs quantiques est la stabilité. Il s'avère que l'interférence (toute sorte de vibration perturbe la vibration des atomes) crée une sortie incohérente. Les électrons en mécanique quantique se comportent comme des ondes et sont décrits par une fonction d'onde. Ces ondes peuvent interférer, causant le comportement étrange des particules quantiques, et c'est ce qu'on appelle la décohérence.

7. Température cryogénique

La température nécessaire pour maintenir une condition stable pour de meilleures performances doit être vraiment basse. Pour faire fonctionner les ordinateurs quantiques, les atomes doivent être maintenus stables. Et la seule méthode efficace connue pour garder ces atomes stables est de réduire la température à zéro Kelvin, où les atomes deviennent stables sans libérer de chaleur.

Actuellement, le système D-Wave 2000Q est l'ordinateur quantique le plus avancé. Son processeur supraconducteur est refroidi à 0,015 Kelvin (180 fois plus froid que l'espace interstellaire).

8. Capacités de résolution de problèmes

Les ordinateurs quantiques peuvent exécuter des algorithmes classiques ; cependant, pour des résultats efficaces, ils utilisent des algorithmes qui semblent intrinsèquement quantiques ou utilisent certaines caractéristiques du calcul quantique comme l'intrication quantique ou la superposition quantique.

Les problèmes de classe indécidable restent indécidables en informatique quantique. Ce qui rend les algorithmes quantiques fascinants, c'est qu'ils pourront résoudre les problèmes plus vite que les algorithmes classiques. Par exemple, ils peuvent résoudre le problème du voyageur de commerce en secondes, ce qui prend 30 minutes sur les ordinateurs conventionnels.

De plus, un ordinateur quantique peut aider à découvrir des planètes lointaines, prévoir la météo avec précision, détecter le cancer plus tôt, et développer des médicaments plus efficaces en analysant les données de séquençage ADN.

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9. Changeur de jeu pour l'IA

L'intelligence artificielle est dans sa phase de début. Les robots avancés d'aujourd'hui peuvent entrer dans une pièce, reconnaître les matériaux, formes et corps en mouvement, mais manquent les facteurs qui les rendraient vraiment intelligents. Les ordinateurs quantiques sont bien meilleurs dans le domaine du traitement de l'information — avec 300 bits, nous pourrions cartographier l'univers entier.

Les machines quantiques pourraient accélérer exponentiellement le taux des opérations d'apprentissage machine, réduisant le temps de centaines de milliers d'années à de simples secondes.

Pour mesurer la distance entre deux grands vecteurs de taille 1 Zettaoctet, un ordinateur conventionnel avec une horloge GHz prendrait des centaines de milliers d'années. Alors qu'un ordinateur quantique à horloge GHz (s'il est un jour construit dans le futur) ne prendrait qu'une seconde après que les vecteurs sont intriqués avec le qubit auxiliaire.

10. Tout ne peut pas être accéléré

Bien que les ordinateurs quantiques trouvent le moyen le plus optimal de résoudre un problème, ils reposent sur certains principes mathématiques de base que votre ordinateur personnel utilise quotidiennement. Cela fait référence à l'arithmétique de base qui est déjà bien optimisée.

Il n'y a pas de meilleure façon d'additionner un ensemble de nombres que de les additionner simplement. Dans de tels cas, les ordinateurs classiques sont tout aussi efficaces que les ordinateurs quantiques.

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11. Dernière avancée en informatique quantique

Des scientifiques de l'Université de Nouvelle-Galles du Sud ont développé une première porte logique quantique utilisant du silicium en 2015. La même année, la NASA a révélé le premier ordinateur quantique opérationnel fabriqué par D-Wave valant 15 millions de dollars.

En 2016, des chercheurs de l'Université du Maryland ont créé avec succès le premier ordinateur quantique reprogrammable. Deux mois plus tard, l'Université de Bâle a spécifié une variante de machine quantique basée sur les trous électroniques qui utilise des trous d'électrons (au lieu de manipuler les spins d'électrons) dans un semi-conducteur à basses températures, qui sont beaucoup moins vulnérables à la décohérence.

En 2019, Google AI, en partenariat avec la NASA, a publié un article affirmant avoir atteint la suprématie quantique — une percée dans l'histoire de l'informatique quantique.

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12. Les systèmes peuvent être utilisés pour simuler des machines quantiques

L'une des applications les plus importantes de l'informatique quantique est les simulateurs quantiques. Ils permettent l'analyse de systèmes quantiques impossibles à modéliser avec des supercalculateurs et difficiles à étudier en laboratoire.

Les simulateurs quantiques sont spécifiquement conçus pour donner un aperçu de certains problèmes de physique. Ils peuvent être construits avec des ordinateurs quantiques « numériques » programmables conventionnellement, qui pourraient résoudre une large gamme de problèmes quantiques.

Jusqu'à présent, les simulateurs quantiques ont été réalisés sur de nombreuses plateformes expérimentales différentes, y compris des systèmes d'ions piégés, molécules polaires, gaz quantiques ultrafroids, points quantiques, et circuits supraconducteurs.

13. Langage de programmation pour ordinateurs quantiques

En 2020, des chercheurs ont développé Sliq : un langage de programmation de haut niveau facile à comprendre pour les ordinateurs quantiques.

Dans les calculs quantiques, les développeurs doivent généralement faire face à plusieurs choses frustrantes, telles qu'un faible niveau d'abstraction menant à du code encombré, des valeurs temporaires qui doivent être jetées, et bien plus.

Bien que certains langages quantiques essaient de contourner cela, ils fonctionnent d'une manière relativement compliquée. Sliq, en revanche, prend en charge l'uncomputation automatique sûre, ce qui permet une sémantique intuitive.

Quelques faits et découvertes plus fascinants

14. L'informatique quantique a été mentionnée pour la première fois par Richard Feynman en 1959 dans sa célèbre conférence « There's Plenty of Room at the Bottom ». Il considérait la possibilité de manipuler des atomes individuels comme une forme améliorée de chimie synthétique.

15. Le premier protocole de distribution de clé quantique au monde, BB84, a été développé par les chercheurs IBM Gilles Brassard et Charles Bennett en 1984. C'est une technique pour envoyer en toute sécurité une clé privée d'un point à un autre pour une utilisation dans le chiffrement à usage unique.

16. En février 2018, des physiciens ont découvert une nouvelle forme de lumière, impliquant des états liés à trois photons dans un milieu quantique non-linéaire, qui pourrait impulser la révolution de l'informatique quantique.

17. En mars 2018, le Laboratoire d'Intelligence Artificielle Quantique — géré par l'Association de Recherche Spatiale des Universités, la NASA et Google — a publié un processeur de 72 qubits nommé Bristlecone.

18. Un modèle réaliste de calcul quantique s'exécute sur des algorithmes quantiques, qui peuvent être catégorisés par le type de problème qu'ils résolvent ou la technique/idées qu'ils utilisent. Actuellement, nous avons des algorithmes basés sur l'amplification d'amplitude, la transformée de Fourier quantique, et des algorithmes quantiques hybrides.

19. Plusieurs candidats différents sont poursuivis pour implémenter physiquement une machine quantique. Parmi eux, les plus populaires sont :

• Ordinateur quantique supraconducteur et à ions piégés
• Point quantique basé sur le spin et basé sur l'espace
• Ordinateur quantique basé sur le diamant
• Électrodynamique quantique de cavité
• Aimant moléculaire

20. Les données encodées dans un état quantique ne peuvent pas être copiées. Si vous essayez de lire ces données, leur état quantique sera changé. Cette caractéristique pourrait être utilisée pour identifier l'écoute clandestine dans la distribution de clé quantique.

21. Jusqu'à présent, cinq entreprises ont fabriqué des puces quantiques — Google (Bristlecone), IBM (IBM Experience et Q), Intel (Tangle Lake), Rigetti (19Q), et D-Wave (Rainier).

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22. En 2020, une équipe de chercheurs de l'Université de Californie à Los Angeles a établi un nouveau record pour la préparation et la mesure de bits quantiques à l'intérieur d'un ordinateur quantique sans erreur. Plus précisément, ils ont atteint un taux d'erreur de préparation et de mesure de 0,03 %. Cela impactera presque tous les domaines de la science de l'information quantique.