Qu’est-ce que l’informatique quantique ?
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
L’idée d’un ordinateur quantique est née de la difficulté de simuler des systèmes quantiques sur un ordinateur classique. Dans les années 1980, Richard Feynman et Yuri Manin ont suggéré indépendamment qu’un matériel basé sur des phénomènes quantiques pourrait être plus efficace pour la simulation des systèmes quantiques que les ordinateurs conventionnels.
Il existe de nombreuses façons de comprendre pourquoi la mécanique quantique est difficile à simuler. Le plus simple est de constater que la matière, au niveau quantique, se trouve dans une multitude de configurations possibles (appelées états).
Les états quantiques augmentent de façon exponentielle
Considérez un système d’électrons où il y $a 40$ emplacements possibles, où chaque emplacement peut avoir ou non un électron. Le système peut donc se trouver dans l’une des $configurations 2^{40}$ (étant donné que chaque emplacement a deux configurations possibles, avoir un électron ou être vide). Pour stocker l’état quantique des électrons dans une mémoire d’ordinateur conventionnelle nécessiterait plus de $130$ Go de mémoire ! Si vous augmentez le nombre d’emplacements possibles à $41$, il y aurait deux fois plus de configurations à $2^{41}$ qui à leur tour nécessiteraient plus $de 260$ Go de mémoire pour stocker l’état quantique.
Il n’est pas possible de jouer indéfiniment sur l’augmentation du nombre d’emplacements. À quelques centaines d’électrons, la mémoire nécessaire pour stocker le système dépasse le nombre de particules dans l’univers ; il n’y a donc pas d’espoir avec les ordinateurs conventionnels pour simuler la dynamique quantique.
Transformer la difficulté en opportunité
L’observation de cette croissance exponentielle a conduit le scientifique à poser une question puissante : pourrions-nous simuler des systèmes quantiques à l’aide d’une machine qui exploite exactement les mêmes lois de physique ? Et pourrions-nous utiliser ces machines pour examiner d’autres tâches cruciales pour nous ? Ces questions ont conduit à la genèse 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 montrant que les ordinateurs quantiques pouvaient être utilisés pour résoudre des problèmes insolubles sur les ordinateurs classiques.
En 1994, Peter Shor a découvert un algorithme quantique pour factoriser des entiers qui s’exécutent exponentiellement plus vite que l’algorithme classique le plus connu. La résolution de la factorisation permet de casser un grand nombre de nos systèmes de chiffrement à clé publique, qui sous-tendent la sécurité actuelle de l’e-commerce, notamment l’algorithme RSA et le chiffrement à 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.
Présentation d’un qubit
Tout comme les bits sont l’objet d’information fondamental en informatique classique, les qubits (bits quantiques) sont l’objet d’information fondamental en informatique quantique.
Un qubit est l’unité de base de l’information en informatique quantique. Dans l’informatique quantique, les qubits jouent un rôle similaire à celui des bits dans l’informatique classique, mais ils se comportent de façon très différente. Les bits classiques sont binaires et peuvent contenir uniquement une position de $0$ ou $1$, mais les qubits peuvent contenir une superposition de tous les états possibles. Cela signifie qu’un qubit peut être dans un état de 0, 1 ou toute superposition quantique des deux. Il existe des superpositions infinies de 0 et 1, et chacune d’elles est un état qubit valide.
Dans l’informatique quantique, les informations sont encodées dans la superposition des états 0 et 1. Par exemple, avec 8 bits, vous pouvez encoder $256$ valeurs différentes, mais vous devez choisir l’une d’entre elles pour l’encoder, car les 256 valeurs ne peuvent pas coexister. Avec 8 qubits, vous pouvez encoder les 256 valeurs en même temps. Ce comportement est dû au fait qubit peut se trouver dans une superposition de tous les 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 est un ordinateur qui tire parti des phénomènes mécaniques quantiques. Les ordinateurs quantiques utilisent des états quantiques de matière pour stocker et calculer des informations. Ils peuvent &citer ; &programme quot ; phénomènes quantiques pour faire des choses plus rapidement ou mieux que les ordinateurs classiques.
La création d’un ordinateur quantique est un défi d’ingénierie complexe qui nécessite une compréhension approfondie de la mécanique quantique et la capacité de contrôler les systèmes quantiques à la plus petite échelle. Lors de la création d’un ordinateur quantique, il est essentiel de réfléchir à la création des qubits, ainsi qu’à la façon de les stocker, de les manipuler et de lire les résultats des calculs.
C’est pourquoi les scientifiques et les ingénieurs travaillent sur différentes technologies qubit pour créer des ordinateurs quantiques, car chaque technologie présente ses propres avantages et inconvénients. La plupart des technologies qubit utilisées sont des qubits à ions piégés, des qubits supraconducteurs et des qubits topologiques. Pour certaines méthodes de stockage de qubits, l’unité qui abrite les qubits est maintenue à une température proche du zéro absolu afin d’optimiser leur cohérence et de 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 au moyen de diverses méthodes, comme les micro-ondes, le laser et la tension.
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).
Contrairement aux particules classiques, si deux états A et B sont des états quantiques valides d’une particule quantique, toute combinaison linéaire des états est également un état quantique valide : $\text{état}=\alpha qubit A + \beta B$.$ $$ $ Cette combinaison linéaire d’états quantiques $A$ et $B$ est appelée superposition. Ici, $\alpha$ et $\beta$ sont les amplitudes de probabilité de $A$ et $B$, respectivement, de telle sorte que $|\alpha|^{{2} + |\beta|^{2}= 1$.
Seuls les systèmes quantiques comme les ions, les électrons ou les circuits supraconducteurs peuvent exister dans les états de superposition qui fournissent toute la puissance de l’informatique quantique. Une particule quantique telle qu’un électron a sa propre propriété « face à gauche ou à droite », à savoir la rotation, appelée « haut ou bas », de sorte que l’état quantique d’un électron est une superposition de &guillemets ; spin up" ; and " ; 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.