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Comment fonctionnent les ordinateurs quantiques ? Pourquoi sont-ils si puissants? Dans quels domaines seront-ils le plus probablement utiles?

Un ordinateur quantique, comme son nom l’indique, utilise le phénomène incroyable qu’est la mécanique quantique. Cette dernière permet un immense pas en avant en terme de puissance de calcul. Ces machines promettent de dépasser les meilleurs super-calculateurs d’aujourd’hui et de demain.

Ils ne vont toutefois pas remplacer les ordinateurs que nous connaissons aujourd’hui. Utiliser ces derniers sera toujours la solution la plus économique et simple pour traiter la plupart des tâches. Cependant les ordinateurs quantiques promettent des avancées dans de nombreux domaines. Par exemple, les entreprises commencent déjà à les utiliser pour développer des batteries plus légères et plus puissantes pour les voitures électriques.

Le pouvoir secret de ces nouveaux appareils est la capacité à manipuler des bits quantiques appelés qubits.

Qu’est-ce qu’un qubit?

Les PCs actuels utilisent des bits (un flux électrique, représenté par 0 ou 1, allumé ou éteint, positif ou négatif, faux ou vrai, non ou oui…). L’ensemble des informations sont constituées de chaines de chiffres digitaux.

L’informatique quantique, d’un autre côté, utilise des qubits, qui sont des particules subatomiques comme les électrons et les protons. Générer et gérer les qubits est un défi scientifique et d’ingénierie. Quelques entreprises comme IBM, Google et Rigetti utilisent des circuits super-conducteurs refroidis à des températures plus froides que dans l’espace, le plus profond soit-il. D’autres entreprises comme IonQ, piègent des atomes individuellement dans des champs électromagnétiques sur une puce de silicium dans des chambres à ultra-vide. Dans les deux cas, le but est d’isoler les qubits dans un état quantique contrôlé.

Les qubits ont quelques propriétés quantiques originales, cela veut dire qu’un groupe connecté, peu fournir bien plus de puissance de calcul qu’un ordinateur classique pour le même nombre de bits. Une de ces propriétés est connue comme la superposition et une autre est appelée l’intrication.

Qu’est-ce que la superposition ?

Les qubits peuvent représenter plusieurs combinaisons possibles de 0 et de 1 en même temps. Cette capacité à être simultanément dans plusieurs états est appelé la superposition. Afin de mettre les qubits en superposition, les chercheurs manipulent ces derniers à l’aide de lasers de précision ou de faisceaux micro-ondes.

L’espace de calcul d’un qubit donné est en fait en deux dimensions. Ces deux dimensions s’enroulent autour de la surface d’une sphère et nous appellerons abruptement le pôle Nord “zéro” et le pôle Sud “un”. Lorsqu’un qubit fonctionne, la valeur qu’il peut prendre peut-être n’importe où sur la surface de cette sphère. A la fin du calcul, quand nous le mesurons, il retombera soit sur 0 soit sur 1 mais cela est basé sur les mécaniques quantiques qui est probabiliste, suivant la situation, plus de chances seront attribuées au 1 ou au 0. Les qubits sont donc une combinaison de 0 et de 1, ce sont des nombres complexes, ce ne sont pas des entiers. Cela affecte donc énormément les mathématiques.

Grâce à ce phénomène contre-intuitif, un ordinateur quantique avec plusieurs qubits en superposition peut faire face simultanément à un grand nombre de résultats potentiels. Le résultat final du calcul apparaît seulement quand les qubits sont mesurés (observés), ce qui cause la chute immédiate de leur état soit à 1 soit à 0.

Qu’est-ce que l’intrication ?

Les chercheurs peuvent générer des paires de qubits qui sont “intriqués“, ce qui signifie que les deux membres d’une paire existent dans un unique état quantique. Changer l’état d’un qubit changera instantanément celui de l’autre. Et cela ce produit peut importe la distance qui les séparent.

Pourtant, personne ne sait vraiment comment l’intrication fonctionne. Ce phénomène a même déconcerté Einstein, qui l’a décrit comme “une action effrayante à distance“. Mais c’est ce qui fait la puissance des ordinateurs quantiques. Dans un ordinateur classique, doubler le nombre de bits double la puissance de calcul. Mais grâce à l’intrication, ajouter des qubits supplémentaires à une machine quantique produit une croissance exponentielle dans sa capacité de calcul.

Ces machines utilisent l’intrication et donc des algorithmes spécialement conçus pour le quantique et cela crée un buzz autour de leur potentiel. Et pourtant c’est la bonne nouvelle, car la mauvaise nouvelle est que les ordinateurs quantiques sont plus enclins aux erreurs que les ordinateurs classiques du fait de la décohérence.

Qu’est-ce que la décohérence ?

L’interaction des qubits avec leur environnement entraîne la détérioration de leur comportement quantique et finalement leur disparition, cela s’appelle la décohérence. Leur état quantique est extrêmement fragile. La moindre vibration ou la moindre variation de température (les perturbations sont appelées “bruit” ou “noise” en langage quantique) peuvent faire chuter les qubits dans un état (quitter la superposition) avant que le travail ne soit accompli. C’est pourquoi les chercheurs font de leur mieux pour protéger les qubits du monde extérieur avec des frigos super-refroidis ou des chambres à vide.

Mais malgré leurs efforts, le bruit provoque encore beaucoup d’erreurs dans les calculs. Des algorithmes Quantiques Intelligents (Smart quantum algorithms) peuvent un peu les compenser. Aussi ajouter des qubits supplémentaires peut aider à compenser les erreurs. Cependant, cela prendra probablement des milliers de qubits standards pour en créer un seul, vraiment fiable, connu comme un qubit “logique“. Cela sapera la capacité de calcul d’un ordinateur quantique.

Mais voici le hic : jusqu’à présent, les chercheurs n’ont pas été capables de générer plus de 128 qubits standards (Lien vers un compteur de qubits dans le temps). Donc, nous sommes encore loin d’ordinateurs quantiques qui seraient largement utiles.

Cela n’a pourtant pas découragé les pionniers du domaine d’être les premiers à démontrer la “suprématie quantique“.

Qu’est-ce que la suprématie quantique ?

C’est le moment qui désigne le fait qu’un ordinateur quantique peut achever un calcul mathématique qui est manifestement hors de portée d’un supercalculateur.

On ne sait pas vraiment combien de qubits seront nécessaires pour accomplir cela parce que les chercheurs continuent de trouver des algorithmes pour améliorer les performances des machines classiques, et le hardware des supercalculateurs continue aussi de s’améliorer. Mais certains chercheurs et entreprises travaillent dur pour décrocher le titre, en faisant tourner des tests contre les meilleurs calculateurs de la terre.

Il y a plein de débat dans le monde de la recherche pour savoir ce qu’atteindre cette étape signifiera, ce que cela sera et à quoi cela servira. Plutôt qu’attendre que la suprématie soit déclarée, les entreprises commencent déjà à essayer les ordinateurs quantiques construits par d’autres entreprises comme IBM, Rigetti et D-Wave. Des compagnies Chinoises comme Alibaba offrent aussi accès à des ordinateurs quantiques. Des firmes achètent des ordinateurs quantiques, tandis que d’autres utilisent des ordinateurs mis à leur disposition par l’intermédiaire de services informatiques dans le cloud.

Qu’elles sont les applications les plus probables d’un ordinateur quantique?

L’une des applications les plus prometteuse des ordinateurs quantiques est de simuler le comportement de la matière au niveau moléculaire. Des industriels comme Volkswagen et Daimler utilisent des ordinateurs quantiques pour simuler la composition chimique des batteries de voitures électriques pour aider à trouver de nouvelles façons d’améliorer leurs performances. Et des entreprises pharmaceutiques en tirent parti pour analyser et comparer des composés chimiques qui pourraient mener à la création de nouveaux médicaments.

Ces machines sont aussi fortes pour l’optimisation de problèmes parce qu’elles peuvent manipuler extrêmement rapidement l’information à travers une grande quantité de solutions possibles. Airbus, par exemple, les utilisent pour aider à calculer les consommations en carburant durant les ascensions et les descentes afin de les optimiser. Volkswagen a dévoilé un service qui calcule les routes optimales pour les bus et les taxis dans les villes afin de réduire les embouteillages. Des chercheurs pensent aussi que les machines pourraient être utilisées pour accélérer l’intelligence artificielle (IA).

Cela peut prendre plusieurs années avant que l’ordinateur quantique atteigne son plein potentiel. Les universités et les entreprises qui y travaillent font face à une véritable pénurie de chercheurs qualifiés ainsi que de fournisseurs de composants clef. Mais si ces nouvelle machines informatiques tiennent leurs promesses, elles pourraient radicalement changer les industries et permettre l’innovation.

Pour aller plus loin :

Calculateur quantique — Wikipédia

Qubit — Wikipédia

Quantum Computing: It’s Not Just the Qubits – YouTube

What is a quantum computer? (QuantumCasts) – YouTube

Mathematical explanations of quantum – YouTube

Explainer: What is a quantum computer? – MIT Technology Review

Lukas Deronzier
Rédacteur HardwareStyle et futur étudiant à Epita. #Computer #Python #AI #Quantum

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4 Commentaires

  1. Article très intéressant. J’ai maintenant bien compris le fonctionnement de ces fameux ordinateurs quantiques 🙂

    Merci à Lukas Deronzier

    1. Bonjour,

      Je te remercie pour ton commentaire !
      Si cela plait je vais continuer à faire des articles de ce style !

      A bientôt

      1. oui je suis d’accord c’est un très bon article qui est bien expliqué continu comme ça !!!

        1. Merci pour vos commentaires !
          Je prends note et je vous en prépare de nouveaux tout aussi intéressants !

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