L’informatique quantique est la prochaine grande frontière du progrès technologique humain. La révolution du transistor est évidente, et ses réalisations pour l’informatique classique sont partout : des CPU et GPU qui nous permettent de suspendre l’incrédulité, en passant par les smartphones qui nous maintiennent connectés, et finalement, Internet : ce tissu qui est devenu un élément indélébile de notre réalité.
Alors que le transistor permettait l’automatisation programmable et la numérisation du travail humain (et du jeu), l’informatique quantique et son analogue de transistor – le qubit – ouvriront des portes qui étaient auparavant fermées tout en en révélant de nouvelles dont nous n’avions aucune idée auparavant.
Voici une explication de ce qu’est l’informatique quantique, pourquoi nous en avons besoin et une explication de haut niveau de son fonctionnement.
Qu’est-ce que l’informatique quantique ?
L’informatique quantique est un analogue de l’informatique que nous connaissons et aimons. Mais alors que l’informatique exploite le transistor classique, l’informatique quantique tire parti du monde de l’infiniment petit – le monde quantique – pour exécuter des calculs sur du matériel spécialisé connu sous le nom d’unités de traitement quantique (QPU). Les qubits sont l’équivalent quantique des transistors. Et tandis que le développement de ce dernier est de plus en plus contraint par les effets quantiques et les difficultés de miniaturisation, l’informatique quantique prospère déjà dans ce monde.
Quantum fait référence à la plus petite unité indivisible de toute particule physique. Cela signifie que l’unité de l’informatique quantique, le qubit, est généralement constituée d’atomes uniques ou même de particules subatomiques telles que des électrons et des photons. Mais alors que les transistors ne peuvent représenter que deux états (soit 1 soit 0, ce qui a cédé la place au monde binaire au sein de notre technologie), les qubits peuvent représenter tous les états possibles : 0, 1 et toutes les variations dans la combinaison des deux états en même temps. temps. Cette capacité est appelée superposition, l’un des phénomènes à l’origine des prouesses de l’informatique quantique.
Pourquoi avons-nous besoin de l’informatique quantique ?
Les qubits permettent de considérer et de traiter simultanément beaucoup plus d’informations, ouvrant la porte à la résolution de problèmes avec des degrés de complexité qui bloqueraient même les supercalculateurs actuels – et futurs – les plus puissants.
Problèmes avec de multiples variables telles que le contrôle du trafic aérien (qui prend en compte la vitesse, le tonnage et la multitude d’avions simultanés, volant ou non, dans un espace aérien) ; le placement des capteurs (comme le BMW Sensor Placement Challenge, qui a récemment été résolu en quelques minutes par quantum) ; le problème séculaire d’optimisation du voyageur de commerce (tentative de trouver le chemin le plus court reliant plusieurs points de vente) ; et le repliement des protéines (qui tente de prévoir l’un des billions de façons dont une chaîne d’acides aminés peut se présenter) sont des exemples de charges de travail où les ordinateurs quantiques brillent.
L’informatique quantique rendra également inutiles tous les algorithmes cryptographiques actuellement utilisés – une protection qui prendrait trop de temps même aux superordinateurs les plus puissants pour se casser à l’échelle du temps humain prendra quelques instants dans les ordinateurs quantiques. Cela encadre un autre élément de la course aux ordinateurs quantiques – la capacité de créer des algorithmes cryptographiques capables de leur résister. Des institutions telles que le National Institute of Standards and Technology (NIST) ont mis à l’épreuve de nouvelles solutions post-quantiques pour en trouver une qui puisse garantir la sécurité dans l’avenir post-quantique.
La science des matériaux, la chimie, la cryptographie et la résolution de problèmes multivariés sont le foyer proverbial de l’informatique quantique. Et d’autres se matérialiseront à mesure que nous saisirons les capacités de cette technologie.
Qu’est-ce que la superposition quantique ?
Si vous deviez imaginer le lancer d’une pièce, l’informatique classique diviserait son résultat en 0 ou en 1 selon que le lancer se termine par pile ou face. Dans le monde des qubits, cependant, vous seriez en mesure de voir simultanément les têtes et les queues, ainsi que les différentes positions que prend la pièce pendant qu’elle tourne devant vos yeux lorsqu’elle tourne entre les deux résultats.
Alors que les ordinateurs classiques fonctionnent avec des résultats déterministes, l’informatique quantique exploite ainsi le champ des probabilités. Cette abondance d’états possibles permet aux ordinateurs quantiques de traiter beaucoup plus d’informations qu’un système binaire ne pourrait jamais le faire.
Outre la superposition, d’autres concepts informatiques quantiques importants sont l’intrication et l’interférence quantique.
Qu’est-ce que l’intrication quantique ?
L’intrication se produit lorsque deux qubits ont été inextricablement connectés de telle sorte que vous ne pouvez pas décrire l’état de l’un sans décrire l’état de l’autre. En conséquence, ils sont devenus un système unique et s’influencent mutuellement, même s’il s’agit de qubits distincts.
Leurs états sont corrélés, ce qui signifie que selon le type d’intrication, les deux particules peuvent être dans le même état ou même dans des états opposés, mais connaître l’état de l’un permet de connaître l’état de l’autre. Cela se produit à n’importe quelle distance : les particules intriquées n’ont pas vraiment de limite physique à la distance qui les sépare les unes des autres. C’est pourquoi Einstein a qualifié l’enchevêtrement d' »action effrayante à distance ».
Imaginez que vous regardez un match de tennis. Les deux joueurs sont corrélés – les mouvements de l’un entraînent un contre-mouvement de l’autre. Si vous deviez décrire pourquoi le joueur de tennis A s’est déplacé vers un point du terrain et a frappé la balle vers une zone du terrain de son adversaire, vous devriez considérer les actions précédentes du joueur de tennis B ; leur position actuelle ; la qualité et les variables de leur jeu, et plusieurs autres facteurs. Décrire les actions (ou, au sens qubit, l’état) de l’un signifie que vous ne pouvez pas ignorer les actions (ou l’état) de l’autre.
Qu’est-ce que le bruit quantique ?
Tout système qui essaie d’être équilibré et cohérent doit résister aux interférences extérieures. C’est pourquoi de nombreux composants informatiques, tels que les cartes audio, sont dotés d’un blindage EMI (interférence électromagnétique) ou que votre maison a une isolation qui tente de maintenir son environnement plus stable que ce à quoi le monde ressemble réellement à l’extérieur de vos fenêtres.
En informatique quantique, la cohérence est une affaire beaucoup, beaucoup plus instable. Les états de qubit et l’enchevêtrement de qubit sont particulièrement sujets aux interférences environnementales (bruit) et peuvent planter en une microseconde (un millionième de seconde). Ce bruit peut prendre la forme d’un rayonnement ; température (c’est pourquoi certaines conceptions de qubit doivent être refroidies à près du zéro absolu, ou -273,15 ° C); l’activité des qubits voisins (la même chose se produit avec la proximité des transistors les uns aux autres de nos jours) ; et même des impacts d’autres particules subatomiques invisibles à l’œil nu. Et ce ne sont là que quelques-unes des causes possibles de bruit qui introduisent ensuite des erreurs dans le calcul quantique, compromettant les résultats.
En informatique classique, les erreurs changent généralement un peu (de 0 à 1 ou vice-versa), mais en informatique quantique, comme nous l’avons vu, il existe de nombreux états intermédiaires de l’information. Ainsi, les erreurs peuvent influencer ces états, qui sont des ordres de grandeur plus qu’un simple 1 ou un 0.
Cela impose des limites pratiques à la durée de fonctionnement des qubits d’un ordinateur quantique, à la durée de leurs états intriqués et à la précision de leurs résultats.
Plus de bruit signifie que les états du qubit peuvent changer ou s’effondrer (décohérence) avant qu’une charge de travail donnée ne soit terminée, générant un résultat erroné. L’informatique quantique tente ainsi de réduire au maximum le bruit environnemental en implémentant une correction d’erreur qui vérifie et s’adapte aux interférences environnementales ou en essayant d’accélérer la vitesse à laquelle fonctionnent les qubits afin qu’ils puissent produire plus de travail avant que la cohérence des qubits ne soit perdue.
Quels sont les défis actuels de l’informatique quantique ?
La recherche en informatique quantique est l’un des sujets les plus complexes connus de l’humanité, plaçant une barrière immédiate sur qui peut la poursuivre. En règle générale, seules les institutions les plus riches ou les entreprises Big Tech y ont plongé leurs orteils de manière significative.
Seuls quelques scientifiques peuvent (et veulent) travailler dans ce domaine, et ses débuts signifient des investissements importants dans les matériaux, le développement itératif et le financement de la recherche.
Le domaine en est également à ses débuts, ce qui est un défi (ou un terrain de jeu, selon la façon dont vous le voyez). Actuellement, plusieurs entreprises suivent leurs propres voies disparates vers la construction d’un ordinateur quantique fonctionnel. IBM a choisi le qubit supraconducteur comme arme de choix ; Quantum Brilliance fonctionne avec des qubits à base de diamant qui peuvent fonctionner à des températures ambiantes ; QCI a opté pour l’Entropy Quantum Computing (EQC), qui tente de prendre en compte les interférences environnementales ; Le Borealis QPU de Xanadu exploite la photonique ; Microsoft poursuit toujours des qubits topologiques qui ne se sont même pas encore matérialisés.
Chacune de ces entreprises vante les mérites de l’approche qu’elle a choisie – et chacune d’entre elles a des raisons d’y investir, portées par des milliers d’heures de travail et des millions de dollars investis.
Il est important de ne pas encadrer cela comme une course ; cela signifie simplement qu’il existe de multiples lieux d’exploration. Mais il y a, en fait, une course vers des financements et des parts de marché supplémentaires. L’entreprise qui percera pour la première fois vers l’avantage quantique – le point où un ordinateur quantique dépasse de manière prouvée tout supercalculateur existant ou futur dans la résolution d’un problème ou d’un ensemble de problèmes particulier – sera la première à en récolter les bénéfices.
Et être le premier à franchir la prochaine étape pour les sciences informatiques de l’humanité présente des avantages incontestables pour façonner son avenir.
Quelles sont les perspectives de l’informatique quantique ?
Actuellement, les ordinateurs quantiques sont encore dans l’ère quantique bruyante à l’échelle intermédiaire (NISQ). Les scientifiques ont du mal à évoluer vers des nombres de qubits plus élevés qui sont nécessaires pour débloquer des ordinateurs quantiques plus puissants et des arrangements plus complexes de qubits. Cela est principalement dû au problème des interférences quantiques, auquel nous avons fait allusion plus tôt. Cependant, la résolution de ce problème n’est qu’une question de temps. Les dispositifs quantiques post-NISQ finiront par arriver, même si l’absence d’un nom spécifique est en soi une référence au long chemin à parcourir.
Les attentes concernant la croissance du marché de l’informatique quantique sont disparates, mais la plupart des projections semblent pointer vers un marché d’une valeur de 20 à 30 milliards de dollars d’ici 2030. Mais c’est un écosystème qui connaît des percées quotidiennes ; tout ce qu’il faut, c’est que l’un d’entre eux entraîne une accélération sur la route vers l’âge tant convoité de la suprématie quantique du quantum pour jeter ces projections sur le bord du chemin.
Dans l’état actuel de l’informatique quantique, nous pouvons nous attendre à une accélération du rythme de développement et du nombre de qubits déployés dans les unités de traitement quantique. La feuille de route d’IBM est l’une des plus claires – la société prévoit d’avoir jusqu’à 433 qubits opérationnels cette année via son QPU Osprey, plus du triple de ceux trouvés dans son QPU 2021, Eagle. La société vise à disposer d’un QPU de 1 121 qubits d’ici 2023 (Condor) et prévoit que ses QPU hébergeront plus d’un million de qubits à partir de 2026.
Cela dit, le nombre exact de qubits nécessaires pour quitter l’ère NISQ n’est pas clair ; différents qubits ont des capacités différentes et peuvent produire différentes quantités de travail. À l’avenir, la normalisation est le nom du jeu : la norme CLOPS proposée par IBM en matière de performances quantiques en est un exemple dans une industrie encore naissante qui tente de fusionner. Des efforts concertés de l’industrie pour normaliser les comparaisons entre les différents QPU sont également en cours et sont une condition préalable à l’avenir sain de l’espace.
C’est un monde entier et vaste dans l’espace informatique quantique. Et nous ne faisons que commencer.