22 faits les plus intéressants sur les ordinateurs quantiques | Édition 2021

Les ordinateurs quantiques ne sont pas censés vérifier vos e-mails, mettre à jour l'état 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 des échelles aussi petites, les règles de la physique n'ont aucun sens. C'est là que des choses passionnantes commencent à se produire. Les particules peuvent se déplacer d'avant en arrière ou peuvent même exister simultanément. Ces types d'ordinateurs peuvent augmenter la puissance de calcul au-delà de ce qui est réalisable par les ordinateurs conventionnels d'aujourd'hui.

Détaillons ce que nous savons actuellement de l'informatique quantique. Nous avons rassemblé quelques faits intéressants sur les ordinateurs quantiques qui vous feront perdre la tête.

1. Modèle de stockage des informations

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

D'un autre côté, un ordinateur quantique stockerait des données sous la forme d'un « 0 », « 1 » ou d'une superposition quantique des deux états. Un tel bit quantique (également connu sous le nom de Qubits) 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 spin-1/2 efficace.

2. Vitesse fulgurante

Étant donné que les données des ordinateurs quantiques peuvent exister dans plus que des états 0 et 1, ils peuvent effectuer des calculs en parallèle. Prenons un exemple simple; si le qubit est dans une superposition de l'état 0 et de l'état 1, et qu'il a effectué 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 affichera le résultat ci-dessus lorsqu'il est dans un état de décohérence, qui dure (lorsqu'il est dans une superposition d'états) jusqu'à ce qu'il s'effondre à un état. La capacité d'effectuer plusieurs tâches simultanément est connue sous le nom de parallélisme quantique.

3. La sécurité redéfinie

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

D'autre part, les ordinateurs quantiques seront capables de fournir des fonctionnalités de sécurité incassables. Ils peuvent verrouiller des données cruciales (telles que les transactions en ligne, les comptes de messagerie) avec des cryptages bien meilleurs.
De nombreux algorithmes ont été développés pour les ordinateurs quantiques - les plus connus sont l'algorithme de Grover (pour rechercher une base de données non structurée) et l'algorithme de Shor (pour factoriser de grands nombres).

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4. Efficacité énergétique

La consommation électrique est le facteur critique de tout appareil fonctionnant à l'électricité. Une vaste gamme 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. Comme ils utilisent le tunneling quantique, ils réduiront la consommation d'énergie d'un facteur 100 à 1000.

5. Les réalités alternatives

Selon la physique quantique, nous traitons de quelque chose appelé Multivers, où un problème peut avoir des solutions probables nombreuses ou infinies. Par exemple, vous pourriez lire cet article sur votre ordinateur portable. Dans un autre univers, vous lisez peut-être ceci sur un mobile lors d'un voyage.

Un ordinateur quantique peut effectuer « n » tâches dans « n » univers parallèles et parvenir au résultat. Si un ordinateur traditionnel effectue 'n' calculs en 'n' secondes, un ordinateur quantique peut effectuer 'n ^2′ calculs dans le même laps de temps.

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Vous vous souvenez peut-être que Deep Blue d'IBM a été le premier ordinateur à vaincre un champion du monde d'échecs, Garry Kasparov, en 1997. L'ordinateur l'a fait en examinant 200 millions de mouvements possibles par seconde. Loin des capacités du cerveau humain ! Mais, s'il s'agissait d'une machine quantique, elle aurait calculé 1 000 milliards de mouvements par seconde, 4 000 milliards de mouvements en 2 secondes et 9 000 milliards de mouvements 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 (tout type de vibration perturbe la vibration des atomes) crée une sortie de charabia. Les électrons en mécanique quantique se comportent comme des ondes et sont décrits par une fonction d'onde. Ces ondes peuvent interférer, provoquant le comportement étrange des particules quantiques, et c'est ce qu'on appelle la décohérence.

7. Température fraîche

La température nécessaire pour maintenir une condition stable pour de meilleures performances doit être très basse. Pour faire fonctionner les ordinateurs quantiques, les atomes doivent rester stables. Et le seul moyen efficace connu de maintenir ces atomes stables est de réduire la température à zéro Kelvin, où les atomes deviennent stables sans libérer de chaleur.

À l'heure actuelle, 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. Compétences en 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 fonctionnalités du calcul quantique comme l'intrication quantique ou la superposition quantique.

Les problèmes de classe indécidables restent indécidables en informatique quantique. Ce qui rend les algorithmes quantiques fascinants, c'est qu'ils seront capables de résoudre des problèmes plus rapidement que les algorithmes classiques. Par exemple, ils peuvent résoudre le problème du voyageur de commerce en quelques secondes, ce qui prend 30 minutes avec des ordinateurs classiques.

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

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9. Changeur de jeu d'IA

L'intelligence artificielle est en phase de démarrage. Le robot avancé d'aujourd'hui peut entrer dans une pièce, reconnaître les matériaux, la forme et les corps en mouvement, mais il manque des facteurs qui les rendent vraiment intelligents. Les ordinateurs quantiques sont bien meilleurs dans le domaine du traitement de l'information :avec 300 bits, nous serions capables de cartographier l'univers entier.

Les machines quantiques seraient capables d'accélérer de façon exponentielle le rythme des opérations d'apprentissage automatique, réduisant ainsi le temps de plusieurs centaines de milliers d'années à quelques secondes seulement.

Pour mesurer la distance entre deux grands vecteurs d'une taille de 1 zettaoctet, un ordinateur conventionnel avec une fréquence d'horloge GHz prendra des centaines de milliers d'années. Alors qu'un ordinateur quantique à fréquence d'horloge GHz (si jamais construit dans le futur) ne prendra qu'une seconde après que les vecteurs soient enchevêtrés avec le qubit auxiliaire.

10. Tout ne peut pas être fait rapidement

Bien que les ordinateurs quantiques trouvent le moyen le plus optimal de résoudre un problème, ils s'appuient sur certains des principes mathématiques de base que votre ordinateur personnel utilise quotidiennement. Il s'agit d'une arithmétique de base déjà bien optimisée.

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

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11. Dernière réalisation sur l'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 d'une valeur de 15 millions de dollars.

En 2016, des chercheurs de l'Université du Maryland ont réussi à créer le premier ordinateur quantique reprogrammable. Deux mois plus tard, l'Université de Bâle a spécifié une variante de la machine quantique à base d'électrons-trous qui utilise des trous d'électrons (au lieu de manipuler des spins d'électrons) dans un semi-conducteur à basse température, qui sont bien 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

Les simulateurs quantiques sont l'une des applications les plus importantes de l'informatique quantique. 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 de manière conventionnelle, qui pourraient résoudre un large éventail de problèmes quantiques.

Jusqu'à présent, des simulateurs quantiques ont été réalisés dans de nombreuses plates-formes expérimentales différentes, y compris des systèmes d'ions piégés, des molécules polaires, des gaz quantiques ultrafroids, des points quantiques et des 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 qui conduit à un code encombré, des valeurs temporaires qui doivent être supprimées, et bien plus encore.

Bien que certains langages quantiques tentent de contourner ce problème, ils fonctionnent de manière relativement alambiquée. Sliq, d'autre part, prend en charge le décalcul automatique et sûr, 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 « Il y a beaucoup de place en bas. » Il a envisagé la possibilité de manipuler des atomes individuels comme une forme améliorée de chimie de synthèse.

15. Le premier protocole de distribution de clés quantiques au monde, BB84, a été développé par les chercheurs d'IBM Gillies Brassard et Charles Bennett en 1984. Il s'agit d'une technique d'envoi sécurisé d'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 proposé une nouvelle forme de lumière, qui implique des états liés à trois photons dans un milieu quantique non linéaire, qui pourrait entraîner la révolution de l'informatique quantique.

17. En mars 2018, le Quantum Artificial Intelligence Lab, géré par l'Universities Space Research Association, la NASA et Google, a lancé un processeur de 72 qubits nommé Bristlecone.

18. Un modèle réaliste de calcul quantique fonctionne sur des algorithmes quantiques, qui peuvent être classés par type de problème qu'ils résolvent ou par 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 à l'étude 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 à base de diamant
• Électrodynamique quantique en cavité
• Aimant moléculaire

20. Les données codées dans un état quantique ne peuvent pas être copiées. Si vous essayez de lire ces données, son état quantique sera modifié. La fonctionnalité pourrait être utilisée pour identifier l'écoute clandestine dans la distribution de clés quantiques.

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

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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 aura un impact sur presque tous les domaines de la science de l'information quantique.