Remarque
L’accès à cette page nécessite une autorisation. Vous pouvez essayer de vous connecter ou de modifier des répertoires.
L’accès à cette page nécessite une autorisation. Vous pouvez essayer de modifier des répertoires.
L’informatique quantique est la promesse de résoudre certains des plus grands défis de notre planète - dans les domaines de l’environnement, de l’agriculture, de la santé, de l’énergie, du climat, de la science des matériaux, etc. Pour certains de ces problèmes, l’informatique classique peine de plus en plus à mesure que la taille du système augmente. Lorsqu’ils sont conçus pour être mis à l’échelle, les systèmes quantiques auront probablement des capacités qui dépassent celles des supercalculateurs les plus puissants d’aujourd’hui.
Cet article explique les principes de l’informatique quantique, comment il compare à l’informatique classique et comment il utilise les principes de la mécanique quantique.
Histoire de l’informatique quantique
Les systèmes quantiques, tels que les atomes et les molécules, peuvent être difficiles ou impossibles à simuler sur un ordinateur classique. Dans les années 1980, Richard Feynman et Yuri Manin ont suggéré qu’un matériel basé sur des phénomènes quantiques pourrait être plus efficace pour la simulation des systèmes quantiques que les ordinateurs conventionnels.
Il existe plusieurs raisons pour lesquelles les systèmes quantiques sont difficiles à simuler sur des ordinateurs réguliers. L’une des principales raisons est que la question, au niveau quantique, est décrite comme une combinaison de plusieurs configurations (appelées états) en même temps.
Les états quantiques augmentent de façon exponentielle
Considérez un système de particules et 40 emplacements possibles où ces particules peuvent exister. Le système peut se trouver dans un état unique de $2^{40}$ car chaque emplacement peut avoir ou non une particule. S’il s’agit de particules classiques, le système est toujours dans l’un des $2^{40}$ états, donc un ordinateur classique n’a besoin que de 40 bits pour décrire l’état du système. Mais s’il s’agit de particules quantiques, le système existe dans une combinaison de tous les $états 2^{40}$ . Un ordinateur classique doit stocker $2^{40}$ nombres pour décrire le système quantique, qui nécessite plus de 130 Go de mémoire. Toutefois, un ordinateur quantique n’a besoin que de 40 bits quantiques pour décrire ce système quantique.
Si nous ajoutons un autre emplacement au système afin que les électrons puissent exister dans 41 emplacements, le nombre de configurations uniques du système double à $2^{41}$. Il faudrait plus de 260 Go de mémoire pour stocker cet état quantique sur un ordinateur classique. Nous ne pouvons pas jouer à ce jeu d’augmenter le nombre d’emplacements pour toujours. Pour stocker un état quantique sur un ordinateur conventionnel, vous dépassez rapidement les capacités de mémoire des machines les plus puissantes du monde. À quelques centaines d’électrons, la mémoire nécessaire pour stocker le système dépasse le nombre de particules dans l’univers. Il n’y a pas d’espoir avec nos ordinateurs conventionnels pour simuler complètement la dynamique quantique pour les systèmes plus grands !
Transformer la difficulté en opportunité
L’observation de cette croissance exponentielle pose une question puissante : est-il possible de transformer cette difficulté en opportunité ? Si les systèmes quantiques sont difficiles à simuler sur des ordinateurs réguliers, que se passe-t-il si nous créons une machine qui utilise des effets quantiques pour ses opérations fondamentales ? Pouvons-nous simuler des systèmes quantiques avec une machine qui exploite exactement les mêmes lois de physique ? Et pourrions-nous utiliser cette machine pour examiner d’autres problèmes importants en dehors de la mécanique quantique ? Il s’agit des types de questions qui ont donné lieu aux champs de l’information quantique et de l’informatique quantique.
En 1985, David Deutsch a montré qu’un ordinateur quantique pouvait simuler efficacement le comportement de n’importe quel système physique. Cette découverte a été la première indication que les ordinateurs quantiques pouvaient être utilisés pour résoudre les problèmes trop difficiles à résoudre sur les ordinateurs classiques.
En 1994, Peter Shor a découvert un algorithme quantique pour trouver les principaux facteurs de grands entiers. L’algorithme de Shor s’exécute de manière exponentielle plus rapide que l’algorithme classique le plus connu pour ce problème de factoring. Un tel algorithme rapide pourrait potentiellement briser la plupart de nos systèmes de chiffrement de clés publiques modernes que nous utilisons pour sécuriser les transactions dans le commerce électronique, telles que Rivest-Shamir-Adleman (RSA) et le chiffrement de courbe elliptique. Cette découverte a suscité un énorme intérêt pour l’informatique quantique et a conduit au développement d’algorithmes quantiques pour de nombreux autres problèmes.
Depuis ce temps, des algorithmes d’ordinateur quantique rapides et efficaces ont été développés pour d’autres problèmes difficiles à résoudre sur les ordinateurs classiques. Par exemple, nous avons maintenant des algorithmes quantiques pour rechercher une base de données non ordonnée, pour résoudre des systèmes d’équations linéaires, pour effectuer le Machine Learning et simuler des systèmes physiques dans la chimie, la physique et la science des matériaux.
Présentation d’un qubit
Tout comme les bits sont l’objet fondamental des informations dans l’informatique classique, les qubits (bits quantiques) sont l’objet fondamental des informations dans l’informatique quantique.
Les qubits jouent un rôle similaire dans l’informatique quantique à mesure que les bits jouent dans l’informatique classique, mais les qubits se comportent différemment des bits. Les bits classiques sont binaires et, à tout moment, peuvent se trouver dans un seul état, 0 ou 1. Mais les qubits peuvent être dans une superposition des états 0 et 1 en même temps. En fait, il existe des superpositions infinies possibles de 0 et 1, et chacun d’eux est un état qubit valide.
Dans l’informatique quantique, les informations sont encodées dans des superpositions des états 0 et 1. Par exemple, 8 bits réguliers peuvent encoder jusqu’à 256 valeurs uniques, mais ces 8 bits ne peuvent représenter qu’une des 256 valeurs à la fois. Avec 8 qubits, nous pourrions encoder toutes les 256 valeurs en même temps, car les qubits peuvent être dans une superposition de tous les 256 états possibles.
Pour plus d’informations, consultez Le qubit dans l’informatique quantique.
Quelles sont les conditions requises pour créer un ordinateur quantique ?
Un ordinateur quantique utilise des systèmes quantiques et les propriétés de la mécanique quantique pour résoudre les problèmes de calcul. Les systèmes d’un ordinateur quantique se composent des qubits, des interactions entre les qubits et des opérations sur les qubits pour stocker et calculer des informations. Nous pouvons utiliser des ordinateurs quantiques pour programmer des effets tels que l’inanglement quantique et l’interférence quantique pour résoudre avec précision certains problèmes plus rapidement que sur les ordinateurs classiques.
Pour créer un ordinateur quantique, nous devons déterminer comment créer et stocker les qubits. Nous devons également réfléchir à la manipulation des qubits et à la mesure des résultats de nos calculs.
Les technologies qubit populaires incluent des qubits d’ion piégés, des qubits superconducteurs et des qubits topologiques. Pour certaines méthodes de stockage qubit, l’unité qui héberge les qubits doit être conservée à une température proche de zéro absolu pour maximiser leur cohérence et réduire les interférences. D’autres types d’hébergements des qubits utilisent une chambre à vide pour réduire au maximum les vibrations et stabiliser les qubits. Les signaux peuvent être envoyés aux qubits par le biais de différentes méthodes, telles que les micro-ondes, les lasers ou les tensions.
Les cinq critères d’un ordinateur quantique
Un bon ordinateur quantique doit avoir ces cinq fonctionnalités :
- Évolutif : Il peut avoir de nombreux qubits.
- Initialisable : Il peut définir les qubits sur un état spécifique (généralement l’état 0).
- Résilient : Il peut conserver les qubits dans l’état de superposition pendant une longue période.
- Universel : Un ordinateur quantique n’a pas besoin d’effectuer toutes les opérations possibles, seulement un ensemble d’opérations appelé jeu universel. Un ensemble d’opérations quantiques universelles est tel que toute autre opération peut être décomposée en une séquence d’opérations.
- Fiable : Il peut mesurer les qubits avec précision.
Ces cinq critères sont souvent appelés critères Di Vincenzo pour le calcul quantique.
La création d’appareils qui répondent à ces cinq critères est l’un des défis d’ingénierie les plus exigeants jamais rencontrés par l’humanité. Azure Quantum offre une variété de solutions d’informatique quantique avec différentes technologies qubit. Pour plus d’informations, consultez la liste complète des fournisseurs Azure Quantum.
Comprendre les phénomènes quantiques
Les phénomènes quantiques sont les principes fondamentaux qui différencient l’informatique quantique de l’informatique classique. Comprendre ces phénomènes est essentiel pour comprendre comment les ordinateurs quantiques fonctionnent et pourquoi ils détiennent ce potentiel. Les deux phénomènes quantiques les plus importants sont la superposition et l’inanglement.
Superposition
Imaginez que vous êtes en train de faire de l’exercice dans votre salon. Vous vous tournez entièrement vers la gauche, puis entièrement vers la droite. À présent, vous essayez de vous tourner vers la gauche et vers la droite en même temps. C’est impossible à faire, à moins de vous couper en deux ! Vous ne pouvez évidemment pas être dans ces deux états simultanément : être face au côté gauche et face au côté droit au même moment.
En revanche, si vous étiez une particule quantique, vous pourriez avoir une certaine probabilité d’être face au côté gauche ET une certaine probabilité d’être face au côté droit grâce à un phénomène connu sous le nom de superposition (ou cohérence).
Seuls les systèmes quantiques tels que les ions, les électrons ou les circuits superconducteurs peuvent exister dans les états de superposition qui permettent la puissance du calcul quantique. Par exemple, les électrons sont des particules quantiques qui ont leur propre propriété d'« orientation gauche ou droite » appelée spin. Les deux états de spin sont appelés spin up et spin down, et l’état quantique d’un électron est une superposition des états spin up et spin down.
Si vous souhaitez en savoir plus et pratiquer la superposition, consultez le module d’entraînement : Explorer la superposition avec Q#.
Intrication
Entanglement est une corrélation quantique entre deux systèmes quantiques ou plus. Lorsque deux qubits sont enchevêtrés, ils sont corrélés et partagent les informations de leurs états afin que l’état quantique des qubits individuels ne puisse pas être décrit indépendamment. Avec l’inanglement quantique, vous ne pouvez connaître que l’état quantique du système global, et non les états individuels.
Les systèmes quantiques enchevêtrés maintiennent cette corrélation même lorsqu’ils sont séparés sur de grandes distances. En d’autres termes, quelle que soit l’opération ou le processus que vous appliquez à un sous-système, il est corrélé sur l’autre sous-système également. Ainsi, la mesure de l’état d’un qubit fournit des informations sur l’état de l’autre qubit : cette propriété particulière est très utile dans l’informatique quantique.
Si vous souhaitez en savoir plus, consultez Tutoriel : Explorer l’inanglement quantique avec Q# et, pour une implémentation pratique, consultez le module d’entraînement : Teleport a qubit à l’aide d’un entanglement.