Qu’est-ce que l’informatique quantique ?
Les ordinateurs quantiques introduisent de nouveaux concepts dans les méthodes de programmation traditionnelles en suivant des règles spéciales liées à la physique quantique pour effectuer des calculs.
Voyons comment l’informatique quantique diffère de l’informatique classique et comment créer un ordinateur quantique.
La naissance 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).
L’informatique quantique augmente de façon exponentielle
Considérez un système d’électrons où il y a $40$ emplacements possibles. Le système peut donc se trouver dans l’une des $2^{40}$ configurations (dans la mesure où chaque emplacement peut avoir ou non un électron). Pour stocker l’état quantique des électrons dans une mémoire d’ordinateur conventionnelle, plus de $130$ Go de mémoire sont nécessaires ! Si nous permettons aux particules d’être dans $41$ positions possibles, il en résulte deux fois plus de configurations à $2^{41}$, ce qui nécessite 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. Si nous souhaitons stocker l’état de manière conventionnelle, nous dépassons rapidement les capacités de mémoire des machines les plus puissantes du monde. Avec quelques centaines d’électrons, la mémoire nécessaire au stockage du système dépasse le nombre de particules dans l’univers. Il n’y a donc aucun espoir pour nos ordinateurs conventionnels de simuler un jour leur dynamique quantique.
Transformer la difficulté en opportunité
L’observation de cette croissance exponentielle nous a conduit à nous poser une question importante : pouvons-nous transformer cette difficulté en opportunité ? Plus précisément, si la dynamique quantique est difficile à simuler, que se passerait-il si nous construisions du matériel qui aurait des effets quantiques pour opérations fondamentales ? Pourrions-nous simuler des systèmes quantiques d’interaction de particules à l’aide d’une machine qui exploite exactement les mêmes lois de la physique ? Et pouvons-nous utiliser cette machine pour investiguer d’autres tâches qui sont absentes des particules quantiques, mais qui sont cruciales pour nous ? Ces questions ont donné naissance à 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.
Depuis lors, des algorithmes quantiques rapides et efficaces ont été développés pour de nombreuses tâches classiques complexes : la simulation des systèmes physiques en chimie, la physique et la science des matériaux, la recherche au sein d’une base de données non ordonnée, la résolution de systèmes d’équations linéaires ainsi que le machine learning.
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. Les qubits en informatique quantique jouent un rôle similaire à celui des bits en informatique classique, mais ils se comportent différemment. 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. Ce comportement signifie qu’un qubit peut être dans un état $0$, $1$ ou n’importe quelle superposition quantique de ces deux états. Il existe des superpositions infinies de $0$ et $1$, et chacune d’entre 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, nous pourrions encoder $256$ différentes valeurs, mais nous devons choisir l’une d’entre elles pour l’encoder. Avec $8$ qubits, nous pouvons encoder $256$ valeurs en même temps, car un qubit peut se trouver dans une superposition de tous les états possibles.
Comment 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 « programmer » des interférences quantiques pour faire des choses plus rapidement ou mieux que les ordinateurs classiques.
Lors de la création d’un ordinateur quantique, nous devons réfléchir à la création des qubits et à leur stockage. Nous devons également réfléchir à la façon de les manipuler et de lire les résultats de nos calculs.
Les technologies qubits les plus utilisées sont les qubits à ions piégés, les qubits supraconducteurs et les 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. Des signaux peuvent être envoyés aux qubits par diverses méthodes, notamment 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 affecter aux qubits 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 les critères de Di Vincenzo pour le calcul quantique.
La conception d’appareils qui respectent ces cinq critères représente l’un des défis d’ingénierie les plus difficiles jamais relevés par l’humanité. Microsoft s’associe à quelques-uns des meilleurs fabricants d’ordinateurs quantiques au monde pour vous permettre d’accéder aux dernières solutions de calcul quantique via Azure Quantum.