L’informatique quantique a la capacité de changer notre avenir. Cette technologie a le potentiel de transformer complètement la médecine, de briser le cryptage de haut niveau et d’accélérer l’intelligence artificielle. Il y a actuellement une course entre IBM, Google et Microsoft pour construire l’ordinateur quantique le plus fiable qui puisse surpasser de manière significative tout superordinateur moderne. C’est devenu une course aux milliards de dollars, chaque entreprise prétendant se surpasser, ce qui a mené la Chine à investir des milliards dans l’informatique quantique. Mais qu’est-ce que l’informatique quantique ? Allons-nous voir des ordinateurs de bureau courants utiliser cette technologie ? Comment cela fonctionne-t-il concrètement ?
Qu’est-ce que l’informatique quantique ?
Un ordinateur quantique est comme tout autre ordinateur qui effectue des calculs complexes ; cependant, il utilise les principes de la mécanique quantique pour effectuer ces calculs à très grande vitesse. Un ordinateur traditionnel utilise des bits, qui stockent des informations sous forme de 1 et de 0 binaires, comme de minuscules interrupteurs qui allument (1) et éteignent (0). Sur notre ordinateur quotidien, nous utilisons des applications, des sites web, des vidéos et des images qui sont composées de millions de bits et sont traduites en ce que nous voyons et entendons.
Cette théorie de l’utilisation des bits fonctionne bien pour la plupart des choses et nos ordinateurs peuvent facilement calculer ces résultats en 1 et 0. Cependant, nous savons qu’il existe aussi des cas d’incertitude qui nécessitent des calculs extraordinairement complexes, tout comme la nature et l’univers. Nos ordinateurs ne peuvent pas faire face à cette incertitude, même les superordinateurs ont quelques difficultés avec ces calculs qui prennent de nombreuses années pour effectuer un calcul complexe.
En 1927, un physicien allemand, Werner Heisenberg, a introduit le principe d’incertitude, selon lequel on ne peut pas tout savoir sur une particule quantique en même temps. Plus vous en savez sur sa position, moins vous en savez sur sa vitesse. C’est ce qu’on appelle la mécanique quantique.
Un ordinateur quantique utilise les principes de la mécanique quantique en prenant ces 1 et ces 0 et en y ajoutant une incertitude afin qu’il puisse être un 1 ou un 0 en même temps. Par exemple, si vous lancez une pièce de monnaie et qu’elle tombe sur la face, cela pourrait être un 1, si vous la relancer, elle pourrait tomber sur la pile et cela pourrait être un 0. Ainsi, à chaque fois que vous tirerez à pile ou face, vous obtiendrez un certain résultat. Que se passe-t-il si vous faites tourner la pièce continuellement ? S’agit-il d’un 1 ou d’un 0 ? Il s’agit des deux. Cet état d’incertitude est connu sous le nom de superposition dans l’informatique quantique et équivaut à faire tourner la pièce. Plus vous avez de superpositions dans un ordinateur quantique, plus vous pouvez avoir de combinaisons et de mémoire.
Comment fonctionnent les ordinateurs quantiques?
Au lieu d’utiliser des bits comme les ordinateurs normaux, les ordinateurs quantiques utilisent ce que l’on appelle des qubits. Les qubits sont faits de matériaux super conducteurs et sont un dispositif physique. Les qubits sont contrôlés à l’aide d’impulsions micro-ondes qui ont été spécifiées avec une fréquence et une durée particulières pour mettre le qubit dans une superposition ou faire basculer l’état dans un sens ou dans un autre. Comme chaque qubit représente deux états à la fois, le nombre total d’états double avec chaque qubit ajouté. Un qubit correspond à deux chiffres, deux à quatre chiffres, trois à huit et ainsi de suite. Cela commence bas mais devient énorme rapidement.
Les qubits sont petits, jusqu’au niveau moléculaire. Par conséquent, les qubits sont principalement constitués d’électrons en raison des propriétés de la mécanique quantique, en particulier leur propriété de champ magnétique. C’est pourquoi ils constituent un élément fondamental de l’ordinateur quantique. Pour qu’un électron soit utilisé comme qubit, il doit y avoir un moyen fiable de déterminer sa position et de changer sa direction. Les qubits utilisent un concept connu sous le nom de point quantique, qui est un volume sphérique ayant généralement un diamètre d’un dixième de millième de millimètre. À l’intérieur de ce point quantique, qui est constitué de deux matériaux semi-conducteurs tels que le silicium et le germanium refroidis à des températures exceptionnellement basses, se trouve un électron libre. Dans ce format, la rotation électronique peut être commutée électroniquement.
Superposition – Comme nous l’avons déjà expliqué, la superposition est l’incertitude de l’état d’un qubit où il peut être allumé et éteint en même temps ou quelque part sur un spectre situé entre les deux. Un bon exemple de la façon dont cela fonctionne est si vous demandez à un ordinateur normal d’entrer dans un labyrinthe et de trouver la sortie ; il essaiera tous les itinéraires, les excluant tous par tâtonnements jusqu’à ce qu’il trouve son chemin pour sortir du labyrinthe. Ce processus peut prendre beaucoup de temps ainsi qu’une plus grande quantité de mémoire pour stocker chaque itinéraire manqué. Demandez à un ordinateur quantique de trouver son chemin pour sortir d’un labyrinthe et il suivra tous les chemins du labyrinthe en même temps. Il peut avoir cette incertitude. Combiné avec l’enchevêtrement et l’interférence qui sont les deux autres éléments d’un calcul quantique, il peut trouver la sortie dans le labyrinthe en un instant.
Enchevêtrement – Les qubits peuvent aussi faire ce qu’on appelle un enchevêtrement. Pour revenir à l’analogie du pile ou face, si vous lancez deux pièces, le résultat du pile ou face n’a aucune influence sur l’autre, elles sont complètement indépendantes l’une de l’autre. Dans l’enchevêtrement, deux particules sont liées ensemble même si elles sont physiquement déconnectées l’une de l’autre. Cet enchevêtrement signifie que si vous lancez les deux pièces en même temps, le résultat est également le même. Ils se comportent d’une manière qui devient une sorte de système. L’enchevêtrement est utilisé pour réduire le nombre d’erreurs dans un système tout en étant plus efficace, ce qui permet d’effectuer les calculs beaucoup plus rapidement.
Interférence – En utilisant une propriété quantique telle que l’interférence, vous pouvez contrôler les états quantiques en amplifiant les signaux qui sont plus proches de la bonne réponse et annuler les types de signaux qui penchent vers la mauvaise réponse. Cela fonctionne remarquablement comme le casque anti-bruit qui lit les longueurs d’ondes ambiantes et crée ensuite l’onde opposée pour l’annuler en créant des interférences. Comme nous le savons, vous pouvez faire des interférences constructives et des interférences destructives. Les interférences constructives amplifient la longueur d’onde, donc le signal devient plus grand et si vous avez des interférences destructives, l’amplitude devient plus faible. Cela fonctionne de la même manière dans l’informatique quantique, permettant de contrôler les états.
C’est la combinaison de ces trois éléments qui fait fonctionner un ordinateur quantique, pour effectuer des calculs complexes et à des vitesses extrêmement élevées.
Quels sont les défis de l’informatique quantique?
L’informatique quantique n’en est qu’à ses débuts, mais de nombreuses recherches de grande envergure sont menées pour élargir encore ses capacités. L’un des plus grands mythes qui tournent autour de l’informatique quantique est que le simple fait d’ajouter plus de qubits augmentera sa capacité. Bien que cela soit vrai, c’est aussi l’un des plus grands défis de l’informatique quantique, car ce n’est pas aussi simple que cela. Les ordinateurs quantiques sont des machines extraordinairement complexes. Avec leurs micro-ondes de haute précision et leurs températures inférieures à zéro, ils sont extrêmement sensibles à tout bruit électrique ou à tout effet de l’environnement. Lorsque vous ajoutez un autre qubit, vous multipliez effectivement les problèmes.
Un autre défi que certaines personnes ont du mal à saisir est que l’information quantique ne peut être conservée qu’un certain temps. Il y a un nombre limité de calculs qui peuvent être effectués avant de commencer à perdre ces informations.
Quelles sont les prochaines étapes ?
Que faut-il faire maintenant ? Les leaders actuels de l’industrie doivent commencer à construire des couches abstraites pour qu’il soit plus facile pour les programmeurs et les scientifiques de se lancer dans l’apprentissage, la recherche et la découverte de nouveaux domaines d’application de l’informatique quantique. Cela nécessitera également le développement de nouveaux algorithmes quantiques sur lesquels les partenaires de recherche travaillent. La progression ira également de pair avec la croissance exponentielle du matériel et des processeurs quantiques, en ajoutant plus de qubits.
Qui utilise cette technologie ?
L’informatique quantique a le potentiel d’accélérer rapidement l’intelligence artificielle et l’industrie 4.0. Google s’en sert déjà pour améliorer les voitures à conduite autonome ainsi que pour modéliser des réactions chimiques complexes.
Voici une liste complète des applications les plus populaires de l’informatique quantique :
- Cybersécurité
- Développement de médicaments
- Modélisation financière
- L’amélioration des batteries
- Une fertilisation plus propre
- Optimisation du trafic
- Prévisions météorologiques et changement climatique
- Intelligence artificielle
- Capture solaire
- Découverte de matériaux électroniques
Daimler AG – En 2018, le fabricant automobile allemand Daimler AG a annoncé deux partenariats avec Google et IBM. Les véhicules électriques sont fondamentalement basés sur la chimie des cellules de batterie. L’informatique quantique ajoute de l’espoir dans des domaines comme la simulation cellulaire et le vieillissement des cellules de batterie. L’amélioration des batteries pour les véhicules électriques pourrait contribuer à accroître l’adoption de ces véhicules.
Daimler étudie également comment l’informatique quantique pourrait potentiellement accélérer l’IA, ainsi que gérer un avenir de véhicules autonomes et accélérer son réseau logistique. Il suit les traces de Volkswagen. En 2017, VW a annoncé un partenariat avec Google axé sur des initiatives similaires. Il a aussi fait équipe avec D-Wave Systems, en 2018.
Volkswagen Group – D-Wave et VW ont déjà mené des programmes pilotes sur un grand nombre de défis liés à l’optimisation du trafic et des déplacements, notamment la rationalisation des flux de trafic à Pékin, Barcelone et, ce mois-ci, à Lisbonne. Pour ce dernier, une flotte de bus a parcouru des itinéraires distincts qui ont été adaptés aux conditions de circulation en temps réel grâce à un algorithme quantique, que VW continue de régler après chaque essai. Selon le PDG de D-Wave, Vern Brownell, le pilote de la société “nous rapproche plus que jamais de la réalisation d’un véritable calcul quantique pratique”.
JP Morgan Chase – Il n’est pas surprenant que l’une des plus grandes sociétés financières s’intéresse à l’informatique quantique. Après tout, le marché financier est une incertitude à certains égards. JP Morgan est l’un des partenaires du réseau quantique de Microsoft qui comprend des universités de recherche, des sociétés technologiques et des entreprises affiliées. L’informatique quantique et la modélisation financière se complètent parfaitement et présentent de nombreuses similitudes structurelles. Des recherches ont maintenant été effectuées sur le modèle de Monte Carlo, qui mesure la probabilité de divers résultats et évalue leurs risques.
Quelles sont les choses les plus innovantes dans le domaine de l’informatique quantique ?
La plupart des grandes découvertes qui ont eu lieu jusqu’à présent sont venues de milieux contrôlés, où ils utilisent des problèmes dont ils connaissent déjà les réponses, pour atteindre la suprématie quantique. Google a récemment affirmé avoir déjà atteint la suprématie quantique, c’est-à-dire qu’un ordinateur quantique surpasse un ordinateur traditionnel. Google affirme que son processeur de 54 qubits a été capable d’effectuer un calcul en 200 secondes qui aurait normalement pris 10 000 ans à un ordinateur traditionnel. Cette affirmation a également été fortement critiquée par IBM, qui affirme que le calcul n’aurait pris que 2,5 jours.
Les chercheurs ont également travaillé à la création d’algorithmes tels que les algorithmes de Shor ou de Grover que les ordinateurs quantiques utiliseront, mais les appareils eux-mêmes nécessitent encore beaucoup de travail. On s’attend maintenant à ce que l’innovation se développe, augmentant de manière exponentielle avec la valeur de calcul, et à ce que les améliorations matérielles se développent tous les 4 ans sur la base de l’équivalent quantique de la loi de Moore. L’objectif serait d’avoir le volume nécessaire pour faire fonctionner les algorithmes quantiques souhaités. Lorsque cela se produira, l’accent sera alors mis sur la correction des erreurs quantiques.
Un ordinateur quantique est conçu pour être utilisé dans un grand nombre de calculs complexes qui nécessitent une réponse rapide. Il n’est pas et ne sera jamais utilisé pour remplacer nos ordinateurs traditionnels que nous utilisons tous les jours. Les applications que nous utilisons quotidiennement, telles que le visionnage de vidéos HD, la navigation sur Internet et le traitement de texte, n’apporteront aucun avantage à l’informatique quantique. On peut voir l’énorme potentiel de cette technologie, et elle prend déjà beaucoup d’ampleur avec les grandes entreprises qui y investissent des millions. L’avenir est prometteur, et c’est un domaine à surveiller.
