Tout comprendre à l’informatique quantique

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Tout comprendre à l'informatique quantique

Sommaire :

  • Qu’est-ce que l’informatique quantique et comment fonctionne-t-elle ?
  • Qu’est-ce qu’un ordinateur quantique ?
  • Quelle est la différence entre un ordinateur quantique et un ordinateur classique ?
  • Comment les ordinateurs quantiques améliorent-ils les dispositifs classiques ?
  • Pourquoi l’informatique quantique est-elle si importante ?
  • A quoi sert un ordinateur quantique ?
  • Quels sont les différents types d’ordinateurs quantiques ?
  • Que pouvez-vous faire avec un ordinateur quantique aujourd’hui ?
  • Qu’est-ce que la suprématie quantique ?
  • Quel est l’usage actuel des ordinateurs quantiques ?
  • Qui va gagner la course à l’informatique quantique ?
  • Qu’en est-il des logiciels quantiques ?
  • Qu’est-ce que l’informatique quantique dans le cloud ?
  • A quoi ressemble l’industrie de l’informatique quantique aujourd’hui ?
  • Qui se prépare maintenant à l’informatique quantique ?

Pour commencer, soulignons que le but de la recherche en informatique quantique est de découvrir un moyen d’accélérer l’exécution de longues vagues d’instructions. Pour ce faire, les chercheurs spécialisés ont recours à des phénomènes observés en mécanique quantique, qui sont d’un ordre complètement différent de tout ce que l’espèce humaine a jamais construit.

Leur objectif consiste à construire un ordinateur quantique surpassant de loin tout ce qu’un superordinateur peut faire aujourd’hui. De quoi résoudre des problèmes mathématiques qui nécessitent aujourd’hui des jours de calcul sur n’importe quel supercalculateur. Certains de ces problèmes n’ont toujours pas de solution, et pourraient alors être résolus de manière instantanée.

Les modèles de changement climatique, les estimations de la probabilité de la présence d’exoplanètes dans la galaxie observable, ou encore les modèles de la capacité du système immunitaire à détruire les cellules cancéreuses, pourraient soudainement donner des résultats dans l’heure qui suit le lancement du programme. Si ces résultats pourraient ne pas se présenter sous la forme d’une solution complète, mais plutôt sous la forme d’un tableau de probabilités indiquant les solutions les plus probables, il constituerait toutefois un bond de connaissance sans précédent dans l’histoire de l’humanité.

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Qu’est-ce que l’informatique quantique et comment fonctionne-t-elle ?

L’informatique quantique exploite le comportement étrange que les scientifiques observent depuis des décennies dans les plus petites particules de la nature – pensez aux atomes, aux photons ou aux électrons. A cette échelle, les lois classiques de la physique cessent de s’appliquer, et nous passons aux règles quantiques.

Si les chercheurs ne comprennent pas tout du monde quantique, ce qu’ils savent, c’est que les particules quantiques ont un immense potentiel, notamment pour contenir et traiter de grandes quantités d’informations. Réussir à maîtriser ces particules dans un ordinateur quantique pourrait déclencher une explosion de la puissance de calcul qui ferait progresser de façon phénoménale l’innovation dans de nombreux domaines nécessitant des calculs complexes, comme la découverte de médicaments, la modélisation du climat, l’optimisation financière ou la logistique. Comme l’explique Bob Sutor, chef de la section quantique chez IBM, à ZDNet : « l’informatique quantique est notre façon d’émuler la nature pour résoudre des problèmes extraordinairement difficiles, et les rendre abordables ».

Qu’est-ce qu’un ordinateur quantique ?

Les ordinateurs quantiques se présentent sous différentes formes, mais ils reposent tous sur le même principe : ils hébergent un processeur quantique dans lequel des particules quantiques peuvent être isolées pour être manipulées par des ingénieurs. La nature de ces particules quantiques, ainsi que la méthode employée pour les contrôler, varie d’une approche de l’informatique quantique à l’autre. Certaines méthodes nécessitent de refroidir le processeur à des températures de congélation, d’autres de jouer avec les particules quantiques à l’aide de lasers – mais elles ont toutes pour objectif de découvrir comment exploiter au mieux la valeur de la physique quantique.

Quelle est la différence entre un ordinateur quantique et un ordinateur classique ?

Les systèmes que nous utilisons depuis les années 1940 sous diverses formes sont connus sous le nom d’ordinateurs classiques. Ils sont basés sur des bits, une unité d’information qui alimente chaque calcul effectué dans l’appareil. Dans un ordinateur classique, chaque bit peut prendre la valeur de 1 ou de 0 pour représenter et transmettre les informations utilisées pour effectuer les calculs. Grâce aux bits, les développeurs peuvent écrire des programmes, qui sont des ensembles d’instructions lues et exécutées par l’ordinateur.

Les ordinateurs classiques ont été des outils indispensables au cours des dernières décennies, mais l’inflexibilité des bits est limitative. Par analogie, si on lui demandait de chercher une aiguille dans une botte de foin, un ordinateur classique devrait être programmé pour examiner chaque morceau de paille de foin jusqu’à ce qu’il atteigne l’aiguille.

Il existe donc encore de nombreux problèmes importants que les dispositifs classiques ne peuvent pas résoudre. « Il existe des calculs qui pourraient être effectués sur un système classique, mais ils pourraient prendre des millions d’années ou utiliser plus de mémoire informatique qu’il n’en existe au total sur Terre », explique Bob Sutor. « Ces problèmes sont insolubles aujourd’hui. »

Comment les ordinateurs quantiques améliorent-ils les dispositifs classiques ?

Au cœur de tout ordinateur quantique se trouvent des qubits, également appelés bits quantiques, que l’on peut librement comparer aux bits qui traitent l’information dans les ordinateurs classiques. Les qubits ont toutefois des propriétés très différentes de celles des bits, car ils sont constitués de particules quantiques présentes dans la nature – ces mêmes particules qui obsèdent les scientifiques depuis de nombreuses années.

L’une des propriétés des particules quantiques les plus utiles pour l’informatique quantique est connue sous le nom de superposition, qui permet aux particules quantiques d’exister dans plusieurs états en même temps. La meilleure façon d’imaginer la superposition est de la comparer au lancer d’une pièce de monnaie : au lieu d’être pile ou face, les particules quantiques sont la pièce pendant qu’elle tourne.

En contrôlant les particules quantiques, les chercheurs peuvent les charger de données pour créer des qubits. Grâce à la superposition, un qubit ne doit pas nécessairement être 1 ou 0, mais peut être les deux en même temps. En d’autres termes, alors qu’un bit classique ne peut être que pile ou face, un qubit peut être, à la fois, pile et face. Cela signifie que, lorsqu’on lui demande de résoudre un problème, un ordinateur quantique peut utiliser des qubits pour effectuer plusieurs calculs à la fois afin de trouver une réponse, en explorant de nombreuses voies différentes en parallèle.

Ainsi, dans le scénario de l’aiguille dans une botte de foin, contrairement à une machine classique, un ordinateur quantique pourrait en principe parcourir toutes les pailles de foin en même temps, trouvant l’aiguille en quelques secondes plutôt que de chercher pendant des années – voire des siècles – avant de trouver ce qu’il cherchait.

De plus, les qubits peuvent être physiquement liés entre eux grâce à une autre propriété quantique appelée intrication, ce qui signifie que chaque qubit ajouté à un système augmente les capacités du dispositif de manière exponentielle, alors que l’ajout des bits supplémentaires ne génère qu’une amélioration linéaire.

Chaque fois que nous utilisons un autre qubit dans un ordinateur quantique, nous doublons la quantité d’information qu’il n’y a d’atomes dans l’univers observable. Et la compression du temps de calcul que cela pourrait générer pourrait avoir de grandes implications dans de nombreux cas d’utilisation. Les ordinateurs quantiques sont tous construits sur le même principe : ils hébergent un processeur quantique où des particules quantiques peuvent être isolées pour être manipulées par les ingénieurs.

Pourquoi l’informatique quantique est-elle si importante ?

Les gains de temps que les chercheurs prévoient grâce à l’informatique quantique ne sont pas de l’ordre de quelques heures, ou même de quelques jours. Il s’agit plutôt d’être potentiellement capable de calculer, en quelques minutes seulement, la réponse à des problèmes que les superordinateurs les plus puissants d’aujourd’hui ne pourraient résoudre en des milliers d’années, allant de la modélisation des ouragans au craquage des clés de chiffrement protégeant les secrets gouvernementaux les plus sensibles.

Les entreprises ont également beaucoup à gagner. Selon une étude récente du Boston Consulting Group (BCG), les progrès que permettra l’informatique quantique pourraient créer une valeur de 850 milliards de dollars au cours des 15 à 30 prochaines années, dont 5 à 10 milliards de dollars seront générés au cours des cinq prochaines années si les principaux fournisseurs livrent la technologie comme ils l’ont promis.

A quoi sert un ordinateur quantique ?

Les programmeurs écrivent des problèmes sous forme d’algorithmes pour que les ordinateurs classiques les résolvent. De même, les ordinateurs quantiques effectueront des calculs basés sur des algorithmes quantiques. Les chercheurs ont déjà identifié que certains algorithmes quantiques seraient particulièrement adaptés aux capacités accrues des ordinateurs quantiques.

Par exemple, les systèmes quantiques pourraient s’attaquer aux algorithmes d’optimisation, qui aident à identifier la meilleure solution parmi de nombreuses options réalisables, et collaborent pour trouver des algorithmes quantiques qui pourraient un jour gérer les 50 000 navires marchands qui traversent chaque jour les océans pour livrer des marchandises, afin de réduire la distance et le temps parcourus par les flottes.

Les algorithmes de simulation quantique devraient également donner des résultats sans précédent, car les qubits permettent aux chercheurs de gérer la simulation et la prédiction d’interactions complexes entre molécules dans des systèmes plus vastes, ce qui pourrait conduire à des percées plus rapides dans des domaines tels que la science des matériaux et la découverte des médicaments.

Les ordinateurs quantiques étant capables de manipuler et de traiter des ensembles de données beaucoup plus importants, les applications d’IA et de machine learning devraient en bénéficier énormément, avec des temps d’apprentissage plus rapides et des algorithmes plus performants. Les chercheurs ont également démontré que les algorithmes quantiques ont le potentiel de casser les clés de chiffrement traditionnelles, qui sont pour l’instant trop difficiles à casser, d’un point de vue mathématique, pour les ordinateurs classiques.

Quels sont les différents types d’ordinateurs quantiques ?

Pour créer des qubits, qui sont les éléments constitutifs des ordinateurs quantiques, les scientifiques doivent trouver et manipuler les plus petites particules de la nature – de minuscules parties de l’univers qui peuvent être trouvées grâce à différents supports. C’est pourquoi il existe actuellement de nombreux types de processeurs quantiques mis au point par diverses entreprises.

L’une des approches les plus avancées consiste à utiliser des qubits supraconducteurs, qui sont constitués d’électrons. IBM et Google ont tous deux développé des processeurs supraconducteurs. Une autre approche qui prend de l’ampleur est celle des ions piégés, sur laquelle Honeywell et IonQ sont en pointe, et dans laquelle les qubits sont logés dans des réseaux d’ions piégés dans des champs électriques, puis contrôlés par des lasers.

De grandes entreprises comme Xanadu et PsiQuantum investissent pour leur part dans une autre méthode, qui s’appuie sur des particules quantiques de lumière, appelées photons, pour coder les données et créer des qubits. Les qubits peuvent également être créés à partir de qubits de spin en silicium – sur lesquels Intel se concentre – mais aussi d’atomes froids ou même de diamants.

Le recuit quantique, une approche qui a été choisie par D-Wave, est une catégorie d’informatique totalement différente. Elle ne repose pas sur le même paradigme que les autres processeurs quantiques. Les processeurs de recuit quantique sont beaucoup plus faciles à contrôler et à utiliser, ce qui explique pourquoi D-Wave a déjà mis au point des dispositifs capables de manipuler des milliers de qubits, alors que pratiquement toutes les autres sociétés de matériel quantique travaillent avec une centaine de qubits ou moins. D’autre part, l’approche du recuit ne convient qu’à un ensemble spécifique de problèmes d’optimisation, ce qui limite ses capacités.

Que pouvez-vous faire avec un ordinateur quantique aujourd’hui ?

A l’heure actuelle, avec seulement 100 qubits comme état de l’art, il y a très peu de choses que l’on peut réellement faire avec les ordinateurs quantiques. Pour que les qubits commencent à effectuer des calculs significatifs, il faudra les compter par milliers, voire par millions. L’augmentation du nombre de qubits dans les processeurs à modèle de grille est toutefois un véritable défi. En effet, il est difficile de maintenir les particules qui compensent les qubits dans leur état quantique.

Pour maintenir les qubits en état de rotation, il faut les isoler de toute perturbation environnementale qui pourrait leur faire perdre leur état quantique. Google et IBM, par exemple, y parviennent en plaçant leurs processeurs supraconducteurs à des températures plus froides que celles de l’espace, ce qui nécessite des technologies cryogéniques sophistiquées qu’il est actuellement presque impossible d’étendre.

En outre, l’instabilité des qubits signifie qu’ils ne sont pas fiables et sont toujours susceptibles de provoquer des erreurs de calcul. Cela a donné naissance à une branche de l’informatique quantique consacrée au développement de méthodes de correction des erreurs.

Bien que la recherche progresse à un rythme soutenu, les ordinateurs quantiques sont donc pour l’instant bloqués dans ce que l’on appelle l’ère NISQ : un calcul quantique bruyant, à échelle intermédiaire – mais l’objectif final est de construire un ordinateur quantique universel.

Qu’est-ce que la suprématie quantique ?

En 2019, Google a affirmé que son processeur supraconducteur de 54 qubits appelé Sycamore avait atteint la suprématie quantique – le point auquel un ordinateur quantique peut résoudre une tâche de calcul qu’il est impossible d’exécuter sur un dispositif classique dans un délai réaliste. Google précise que Sycamore a calculé, en seulement 200 secondes, la réponse à un problème qui aurait pris 10 000 ans aux plus grands superordinateurs du monde.

Plus récemment, des chercheurs de l’université des sciences et technologies de Chine ont revendiqué une avancée similaire, affirmant que leur processeur quantique avait mis 200 secondes pour accomplir une tâche qui aurait nécessité 600 millions d’années avec des dispositifs classiques.

Il ne s’agit pas de dire que l’un ou l’autre de ces ordinateurs quantiques est désormais capable de surpasser n’importe quel ordinateur classique dans n’importe quelle tâche. Dans les deux cas, les dispositifs ont été programmés pour exécuter des problèmes très spécifiques, sans grande utilité, si ce n’est de prouver qu’ils pouvaient calculer la tâche en question beaucoup plus rapidement que les systèmes classiques. Sans un nombre de qubits plus élevé et une meilleure correction des erreurs, la preuve de la suprématie quantique pour des problèmes utiles est encore loin d’être faite.

Quel est l’usage actuel des ordinateurs quantiques ?

Les organisations qui investissent dans les ressources quantiques considèrent qu’il s’agit de la phase de préparation : leurs scientifiques font le travail de base pour être prêts le jour où un ordinateur quantique universel sera prêt.

En pratique, cela signifie qu’ils essaient de découvrir les algorithmes quantiques les plus susceptibles de présenter un avantage par rapport aux algorithmes classiques lorsqu’ils pourront être exécutés sur des systèmes quantiques à grande échelle. Pour ce faire, les chercheurs essaient généralement de prouver que les algorithmes quantiques ont des performances comparables à celles des algorithmes classiques dans de très petits cas d’utilisation, et ils théorisent qu’à mesure que le matériel quantique s’améliore et que la taille du problème peut être augmentée, l’approche quantique montrera inévitablement des accélérations significatives.

Par exemple, des scientifiques du fabricant d’acier japonais Nippon Steel ont récemment mis au point un algorithme d’optimisation quantique capable de concurrencer son homologue classique pour un petit problème exécuté sur un ordinateur quantique de 10 qubits. En principe, cela signifie que le même algorithme équipé de milliers ou de millions de qubits corrigés des erreurs pourrait éventuellement optimiser l’ensemble de la chaîne d’approvisionnement de l’entreprise, avec la gestion de dizaines de matières premières, de processus et de délais serrés, générant ainsi d’énormes économies.

Les travaux que les scientifiques quantiques réalisent pour les entreprises sont donc hautement expérimentaux et, à ce jour, moins de 100 algorithmes quantiques se sont avérés compétitifs par rapport à leurs équivalents classiques, ce qui montre à quel point ce domaine est encore émergent.

Qui va gagner la course à l’informatique quantique ?

La plupart des cas d’utilisation nécessitant un ordinateur quantique entièrement corrigé des erreurs, la question de savoir qui sera le premier à le fournir est sur toutes les lèvres dans l’industrie quantique, il est impossible de connaître la réponse exacte. Toutes les entreprises de matériel quantique tiennent à souligner que leur approche sera la première à percer la révolution quantique, rendant encore plus difficile de discerner le bruit de la réalité.

En général, les experts s’accordent à dire que la technologie n’atteindra son plein potentiel qu’après 2030. Toutefois, les cinq prochaines années pourraient voir apparaître les premiers cas d’utilisation, à mesure que la correction des erreurs s’améliorera et que le nombre de qubits atteindra un niveau permettant la programmation de petits problèmes. IBM est l’une des rares entreprises qui s’est engagée à respecter une feuille de route quantique spécifique, qui définit l’objectif ultime de réaliser un ordinateur quantique d’un million de qubits. A plus court terme, Big Blue prévoit de commercialiser un système de 1 121 qubits en 2023, ce qui pourrait marquer le début des premières expérimentations avec des cas d’utilisation réels.

Qu’en est-il des logiciels quantiques ?

Le développement de matériel quantique représente une part importante du défi et constitue sans doute le goulet d’étranglement le plus important de l’écosystème. Mais même un ordinateur quantique universel tolérant aux pannes serait peu utile sans le logiciel quantique correspondant. Bien sûr, aucune de ces installations en ligne n’est très utile si l’on ne sait pas comment « parler quantique », explique à ZDNet Andrew Fearnside, associé principal spécialisé dans les technologies quantiques au cabinet de propriété intellectuelle Mewburn Ellis.

Créer des algorithmes quantiques n’est pas aussi simple que de prendre un algorithme classique et de l’adapter au monde quantique. L’informatique quantique exigence plutôt un tout nouveau paradigme de programmation qui ne peut être exécuté que sur une toute nouvelle pile logicielle.

Bien sûr, certains fournisseurs de matériel développent également des outils logiciels, dont le plus connu est le kit de développement de logiciels quantiques Qiskit d’IBM, un logiciel libre. Mais, en plus de cela, l’écosystème quantique se développe pour inclure des entreprises qui se consacrent exclusivement à la création de logiciels quantiques. Parmi les noms familiers, citons Zapata, QC Ware ou AQBit, qui sont toutes spécialisées dans la fourniture aux entreprises d’outils leur permettant de comprendre le langage quantique. Et, de plus en plus, des partenariats prometteurs se forment pour réunir les différentes parties de l’écosystème. Par exemple, la récente alliance entre Honeywell, qui construit des ordinateurs quantiques à ions piégés, et la société de logiciels quantiques Cambridge Quantum Computing (CQC), a fait dire aux analystes qu’un nouvel acteur pourrait prendre la tête de la course au quantique.

Qu’est-ce que l’informatique quantique dans le cloud ?

En raison de la complexité de la construction d’un ordinateur quantique, la grande majorité des systèmes quantiques se trouve actuellement dans des environnements de laboratoire, plutôt que d’être envoyés dans les centres de données des clients. Pour permettre aux utilisateurs d’accéder aux dispositifs et de commencer à mener leurs expériences, les entreprises quantiques ont donc lancé des services commerciaux d’informatique quantique dans le cloud, rendant la technologie accessible à un plus grand nombre de clients.

Les quatre plus grands fournisseurs de services publics d’informatique en cloud proposent actuellement un accès aux ordinateurs quantiques sur leur plateforme. IBM et Google ont tous deux mis leurs propres processeurs quantiques sur le cloud, tandis que les services Azure QUantum de Microsoftet Braket d’AWS permettent aux clients d’accéder aux ordinateurs de fournisseurs tiers de matériel quantique.

A quoi ressemble l’industrie de l’informatique quantique aujourd’hui ?

On ne sait pas encore quelle technologie gagnera la course, mais une chose est sûre : l’industrie de l’informatique quantique se développe rapidement et les investisseurs financent généreusement l’écosystème. Les investissements en actions dans l’informatique quantique ont presque triplé en 2020, et selon le BCG, ils devraient augmenter en 2021 pour atteindre 800 millions de dollars.

Les investissements gouvernementaux sont encore plus importants : les Etats-Unis ont débloqué 1,2 milliard de dollars pour la science de l’information quantique au cours des cinq prochaines années, tandis que l’UE a annoncé un programme phare quantique de 1 milliard d’euros. Le Royaume-Uni a également atteint récemment la barre du milliard de livres de budget pour les technologies quantiques et, bien que les chiffres officiels ne soient pas connus en Chine, le gouvernement n’a pas caché son désir de participer activement à la course aux technologies quantiques.

Cela a provoqué l’essor de l’écosystème quantique au cours des dernières années, les nouvelles start-up passant d’une poignée en 2013 à près de 200 en 2020. L’attrait de l’informatique quantique augmente également parmi les clients potentiels : selon le cabinet d’analyse Gartner, alors que seulement 1 % des entreprises prévoyaient un budget pour le quantique en 2018, 20 % devraient le faire d’ici 2023.

Qui se prépare maintenant à l’informatique quantique ?

Bien que toutes les entreprises n’aient pas besoin de se préparer à suivre des concurrents prêts pour le quantique, il existe certains secteurs où les algorithmes quantiques devraient générer une énorme valeur, et où des entreprises de premier plan se préparent déjà.

Goldman Sachs et JP Morgan sont deux exemples de mastodontes financiers qui investissent dans l’informatique quantique. En effet, dans le secteur bancaire, les algorithmes d’optimisation quantique pourraient donner un coup de pouce à l’optimisation des portefeuilles, en permettant de mieux choisir les actions à acheter et à vendre pour obtenir un rendement maximal.

Dans le secteur pharmaceutique, où le processus de découverte d’un médicament représente en moyenne 2 milliards de dollars sur 10 ans et repose en grande partie sur des essais et des erreurs, les algorithmes de simulation quantique devraient également faire des vagues. C’est également le cas en science des matériaux : les entreprises comme OTI Lumionics, par exemple, explorent l’utilisation d’ordinateurs quantiques pour concevoir des écrans OLED plus efficaces.

Les grandes entreprises automobiles, dont Volkswagen et BMW, suivent également de près cette technologie, qui pourrait avoir un impact sur le secteur de diverses manières, allant de la conception de batteries plus efficaces à l’optimisation de la chaîne d’approvisionnement, en passant par une meilleure gestion du trafic et de la mobilité. Volkswagen, par exemple, a été le premier à utiliser un algorithme quantique qui a optimisé les itinéraires des bus en temps réel en évitant les goulets d’étranglement.

Toutefois, à mesure que la technologie mûrit, il est peu probable que l’informatique quantique se limite à quelques privilégiés. Au contraire, les analystes prévoient que pratiquement tous les secteurs d’activité pourront bénéficier de la vitesse de calcul que les qubits permettront d’atteindre.

Bien que la manière précise dont les utilisateurs accéderont à l’informatique quantique à l’avenir reste à définir, une chose est sûre : il est peu probable qu’ils aient à comprendre les lois fondamentales de l’informatique quantique pour utiliser cette technologie. Et aussi fascinants que puissent être les qubits, la superposition, l’intrication et autres phénomènes quantiques, pour la plupart d’entre nous, ce sera une bonne chose.

Source : ZDNet.com

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