Informatique quantique : Signification, avantages et plus

Quantum informatique est l'application des principes de la mécanique quantique dans l'exécution de calculs. Les phénomènes de base utilisés ici sont enchevêtrement et superposition.

Alors que quantique informatique est un mot à la mode relativement nouveau, la mécanique quantique existe depuis bien plus longtemps. Il a été à l'origine de développements majeurs dans l'industrie électronique et offre en outre des réponses à de nombreux mystères de l'humanité.

La mécanique quantique se concentre sur le fonctionnement des atomes et des particules subatomiques, tandis que le mot quantique fait référence à la plus petite particule avec laquelle on peut travailler. C'est le bloc de construction le plus fondamental de tout objet physique.

De Max Planck à Albert Einstein, Neils Bohr et Erwin Schrödinger, de nombreux grands scientifiques ont été impliqués dans le développement de la mécanique quantique et son aboutissement éventuel dans la course à l'informatique quantique - l'une des plus grandes courses technologiques de notre temps.

Cet article vous emmène dans le monde magique des phénomènes quantiques, vous montre comment en faire un ordinateur et explore ses domaines connexes.

Action effrayante à distance

Les phénomènes quantiques défient la compréhension conventionnelle et fonctionnent sur des termes complètement différents de la physique classique. Ainsi, dans les années 1930, Einstein a utilisé les mots "action effrayante à distance" pour décrire les phénomènes d'intrication quantique et comment cela ne rentre pas dans la science conventionnelle.

L'intrication quantique n'a rien de nouveau. Si vous créez deux particules au même endroit et au même instant, elles s'emmêlent. Cela signifie que tout ce qui arrive à l'un affecte l'autre.

C'est comme tomber amoureux et recevoir un appel chaque fois que vous pensez à votre amant. Ou passer un appel et entendre "j'allais justement t'appeler". Des jumeaux identiques sont également connus pour tomber malades en même temps.

La partie la plus effrayante de l'intrication quantique est que vous pouvez éloigner l'une des particules intriquées. Et quelles que soient les conditions auxquelles vous le soumettez, cela affectera instantanément la deuxième particule, même à une demi-galaxie de distance.

Les ordinateurs quantiques utilisent cette propriété pour stocker d'énormes quantités d'informations sur plusieurs particules à la fois. Ces particules sont appelées qubits ou bits quantiques, mais d'abord, regardons le deuxième phénomène de mécanique quantique.

Erwin Schrödinger et son chat

Un autre des premiers chercheurs quantiques était le physicien autrichien Erwin Schrödinger, qui, comme Albert Einstein, trouvait également ridicules certaines parties des phénomènes quantiques. Ainsi, il a inventé l'expérience de pensée désormais célèbre appelée "le chat de Schrödinger" pour visualiser le paradoxe de la superposition quantique.

Cette expérience indique que si vous mettez un chat et quelque chose qui pourrait tuer le chat dans une boîte et que vous la scellez. Vous ne sauriez pas si le chat était mort ou vivant jusqu'à ce que vous ouvriez la boîte. Donc, logiquement, le chat était à la fois mort et vivant jusqu'à ce que vous ouvriez la boîte.

La superposition est le deuxième phénomène qui rend possible l'informatique quantique. Là où les ordinateurs classiques fonctionnent avec des bits d'information qui peuvent représenter 1 ou 0 à un moment donné, les ordinateurs quantiques fonctionnent avec des qubits (bits quantiques) qui peuvent représenter à la fois 0 et 1 en même temps, tout comme le chat qui était à la fois mort et vivant.

Voici un aperçu des qubits.

Le Bit contre le Qubit

Le qubit est ce qui rend possible l'informatique quantique. Aussi appelé bit quantique ou qbit, un qubit est la plus petite unité d'énergie que vous pouvez manipuler pour enregistrer et récupérer des informations.

Un bit d'ordinateur ordinaire ne peut être que 0 ou 1 à un moment donné. Alors qu'un bit quantique peut être les deux à la fois. Deux bits réguliers peuvent donc contenir 00, 01, 10 et 11 à tout moment. Mais deux bits quantiques peuvent contenir les quatre états en même temps. Cela signifie des cycles de calcul 4 fois plus rapides.

Avec 3 bits réguliers, vous pouvez soit obtenir 000, 001, 010, 011, 100, 101, 110 et 111 à tout moment. Mais 3 qubits contiendront les huit états en même temps, ce qui vous donnera des cycles de calcul 8 fois plus rapides. Comme vous pouvez le voir, cette relation est exponentielle, donc chaque bit supplémentaire double la quantité d'informations disponibles.

Ainsi, avec 5 qubits, vous regardez 32 états simultanés, avec 10 qubits, c'est plus de 1,000 20 états, et à XNUMX qubits, plus d'un million. Maintenant, considérez combien d'états le Ordinateurs quantiques de 1,000 XNUMX qubits qu'IBM et Google développent peuvent contenir simultanément.

Vous pouvez créer des qubits à partir de photons, électrons, noyaux atomiques, points quantiques, supraconducteurs, et d'autres implémentations. L'objectif est de créer une collection stable de bits quantiques d'énergie que vous pouvez facilement définir et mesurer à volonté.

Avantages de l'informatique quantique

Le principal avantage de l’informatique quantique réside dans les résultats instantanés issus de problèmes complexes. C'est principalement dans les situations où vous devez choisir la bonne réponse parmi de nombreuses possibilités. Et cela les rend parfaits pour la factorisation numérique, les simulations à grande échelle et la reconnaissance de formes dans intelligence artificielle.

L'approche standard pour les ordinateurs classiques consiste à étudier chaque possibilité jusqu'à ce que vous trouviez ce que vous cherchez. Souvent appelée aiguille dans une botte de foin, la durée de cette opération dépend de la quantité de foin ou de documents que vous devez parcourir. Et sur la vitesse de votre machine.

Les superordinateurs facilitent ces problèmes en augmentant la vitesse de vérification de chaque possibilité. Les ordinateurs quantiques, en revanche, peuvent générer toutes les possibilités simultanément, si suffisamment de qubits sont disponibles. C'est pourquoi ils peuvent résoudre en quelques heures des problèmes que les ordinateurs ordinaires mettront des centaines, voire des milliers d'années à résoudre.

Problèmes et limites de l'informatique quantique

Alors que vous pouvez facilement mesurer des bits dans un ordinateur classique, mesurer un qubit détruit son état et celui de ses qubits intriqués.

De plus, les bits classiques sont fabriqués à partir d'une large gamme de matériaux semi-conducteurs qui doivent simplement contenir une charge (1) ou non (0). Les qubits sont cependant beaucoup plus complexes et difficiles à mettre en œuvre. Et en plus d'isoler spatialement un qubit, vous devez le protéger des interférences environnementales, telles que les fluctuations de température et électrostatiques. Parce que de si petits changements environnementaux corrompent également ces États.

Cette perte d'intrication ou d'équilibre du système est appelée décohérence quantique et constitue le problème majeur que la plupart des chercheurs tentent de résoudre. Il est si grave que la prochaine machine à 1,000 1,000 qubits de Google nécessitera jusqu'à 1 XNUMX qubits pour la correction des erreurs de chaque qubit. Ce qui en fait une machine à XNUMX million de qubits.

Cela signifie également que vous ne pouvez pas actuellement gérer un ordinateur quantique comme vous le feriez avec un ordinateur portable ou un smartphone. L'ordinateur a besoin de conditions de laboratoire pour maintenir un niveau de stabilité sûr pour ses qubits.

Un autre inconvénient est la portée limitée de la soi-disant suprématie quantique, car tous les problèmes informatiques n'impliquent pas de grands volumes de nombres ou de possibilités. Ainsi, l'augmentation des calculs dans la plupart des autres opérations est trop insignifiante pour justifier une approche d'informatique quantique. Et à moins que les ordinateurs quantiques ne deviennent moins chers que les ordinateurs classiques, ils ne les remplaceront pas non plus de si tôt.

Malgré tous ces inconvénients, les ordinateurs quantiques et leurs qubits ont beaucoup de potentiel dans l'industrie informatique en raison des grands nombres qu'ils peuvent gérer facilement.

Y a-t-il des dangers avec l'informatique quantique ?

Oui. Tout bien pirate sait que chaque technologie a une faille. Tu dois juste le trouver. Ainsi, quelles que soient les mises en œuvre réelles des ordinateurs quantiques à l’avenir, la technologie posera toujours des problèmes. Et des acteurs prêts à les capitaliser.

Ce scénario fait référence à des usages comme la banque, finance, le gouvernement et les activités publiques similaires. Un deuxième scénario est celui où un acteur malveillant utilise l’incroyable puissance d’un bon ordinateur quantique pour réaliser un exploit. Et comme toujours, les gens ne prendront conscience d’une telle possibilité qu’une fois l’acte accompli.

L'informatique quantique se débrouille bien avec les chiffres. Ainsi, les algorithmes de chiffrement asymétrique qui utilisent la factorisation, tels que le RSA à clé publique, ne sont pas sûrs. Le hachage et la cryptographie symétrique, tels que les AES-256 et 512, ainsi que les SHA-256 et 512, en revanche, sont relativement sûrs.

Autres applications de la mécanique quantique

Aussi passionnant que soit le monde de l'informatique quantique, ce n'est encore qu'une partie de la mécanique quantique. Donc, en d'autres termes, la fête quantique ne fait que commencer.

La mécanique quantique a joué un rôle déterminant dans le développement des semi-conducteurs et de l'électronique moderne. Des travaux sont également en cours pour les réseaux quantiques et la cryptographie, comme la société suisse pionnier de la cryptographie quantique ID Quantique. De plus, les phénomènes quantiques se sont également révélés prometteurs dans de nombreux domaines de recherche, notamment la photosynthèse, les récepteurs olfactifs et même notre compréhension du temps.

Ordinateurs quantiques du monde réel

Il existe de nombreux ordinateurs quantiques et applications similaires. Ils proviennent de grandes multinationales comme Google et IBM, ainsi que de gouvernements, et même de plus petits acteurs comme Rigetti.

L'informatique quantique est actuellement l'un des domaines de recherche les plus en vogue de la planète. Il existe donc probablement plus de programmes secrets que vous ne pouvez l'imaginer. Ci-dessous quelques grands projets :

• Google possède des machines de 54 et 72 qubits
• IBM possède plus de 30 machines dispersées à travers le monde, y compris Manhattan à 65 qubits
• La Chine abrite de nombreux ordinateurs quantiques, dont une machine de 76 qubits et même une communication par satellite quantique.
• La machine alimentée par Sycamore de 54 qubits de Google n'a passé que 200 secondes pour calculer ce que les supercalculateurs auraient besoin de 10,000 XNUMX ans pour calculer.
• IBM développe une machine de 1,000 2023 qubits d'ici XNUMX
• Rigetti Computing en possède quatre, dont une machine de 31 qubits
• Google construit un nouveau centre quantique pour créer un ordinateur de 1,000 2029 qubits d'ici 1. En tenant compte de la correction d'erreur, le nombre total de qubits de cet ordinateur pourrait atteindre XNUMX million.

Pour aller plus loin

Les ordinateurs quantiques sont là pour rester. Comme ils créeront de nombreuses opportunités et résoudront des problèmes du monde réel avec lesquels les ordinateurs classiques ont lutté pendant des décennies.

Cependant, il reste encore beaucoup de travail à faire et de défis à relever avant d'y arriver. Et jusque-là, la Chine pourrait bien surprendre le monde.