L'ordinateur quantique est vraiment incroyable !

Lordinateur quantique c'est quoi ? Et bien c'est une machine incroyable. En exploitant les propriétés particulières de la matière à l'échelle de l'infiniment petit, elle a la capacité de résoudre des calculs impossibles pour les ordinateurs les plus puissants du moment, en quelques minutes seulement.  L'ordinateur quantique fascine les physiciens et suscite également l'intérêt de nombreuses entreprises privées, telles que Google ou Microsoft. Voici ce qu'il faut savoir sur cette technologie prometteuse et ses enjeux.

Comment ça marche ?

Les ordinateurs quantiques sont similaires aux ordinateurs classiques, sauf que leurs calculs sont effectués au niveau des atomes. Tout est est basé sur les lois de la physique quantique qui étudie le comportement de la lumière et de la matière à une échelle microscopique. A cette échelle, il se passe des choses étranges, et parfois inattentues, qui ne répondent plus aux lois de la physique classique : un objet peut être dans plusieurs états simultanément jusqu'à ce qu'il soit mesuré (c'est le principe de superposition quantique) et deux objets peuvent être connectés même s'ils sont très loins l'un de l'autre (ce qu'on appelle l'intrication quantique).

Un ordinateur classique manipule des bits d'information, qui sont dans un état bien défini : 0 ou 1.  Dans un ordinateur quantique, on utilise des qubits. Ces qubits peuvent exister dans plusieurs états en même temps, par exemple une combinaison de 0 et 1. C'est le principe de superposition.  La meilleure façon de penser à la superposition est de la comparer au lancer d'une pièce de monnaie lorsqu'on joue à "pile ou face". Alors qu'un bit classique aurait soit la valeur "pile", soit la valeur "face", un qubit est une pièce de monnaie qui tourne encore. C'est une pièce magique qui peut être à la fois pile et face !

Un autre concept important en informatique quantique est l'intrication, qui se produit lorsque deux ou plusieurs qubits sont liés de telle sorte que l'état d'un qubit dépend de l'état de l'autre.  Cela permet une forme de calcul puissante où plusieurs calculs peuvent être effectués simultanément.

Pour utiliser un ordinateur quantique, vous devez d'abord préparer un état quantique, ce qui peut être fait à l'aide d'un processus appelé initialisation.  Cela consiste à placer les qubits dans un état spécifique qui correspond au problème que vous souhaitez résoudre. Ensuite, on peut appliquer des portes quantiques, qui sont similaires aux portes logiques en informatique classique, pour manipuler les qubits et effectuer des calculs.  Le résultat est mesuré à la fin du calcul, ce qui réduit les qubits dans un état classique qui peut être lu et interprété.

De quoi est composé un ordinateur quantique ?

Un ordinateur quantique est généralement constitué de quelques composants clés, notamment :

Qubits

les éléments de base d'un ordinateur quantique sont les qubits eux-mêmes.  Ceux-ci sont généralement constitués de systèmes quantiques qui peuvent être contrôlés et mesurés, tels que des atomes, des ions ou des circuits supraconducteurs.

Systèmes de contrôle

Pour manipuler les qubits, les ordinateurs quantiques nécessitent des systèmes de contrôle sophistiqués capables de générer les champs électromagnétiques nécessaires ou d'autres signaux pour fonctionner sur les qubits.

Systèmes cryogéniques de refroidissement

De nombreuses plates-formes informatiques quantiques nécessitent des températures extrêmement froides, proches du zéro absolu (-273°C), pour faire fonctionner les qubits.  En effet, des températures plus froides aident à réduire la quantité de bruit et d'interférences externes qui peuvent perturber les états quantiques fragiles.

Entrée et sortie de données

tout comme les ordinateurs classiques, les ordinateurs quantiques nécessitent un moyen d'entrer des données et de produire des résultats.  Cela se fait généralement via des interfaces électroniques classiques qui se connectent aux systèmes de contrôle et de mesure. Dans l'ensemble, la conception et la construction d'un ordinateur quantique est une tâche complexe et exigeante qui nécessite une expertise dans plusieurs domaines, notamment la physique, la science des matériaux, le génie électrique et l'informatique

A quoi peut servir un ordinateur quantique ?

Les ordinateurs quantiques ont la capacité de révolutionner l'informatique en résolvant certains problèmes beaucoup plus rapidement que les ordinateurs classiques.  Voici quelques-unes des applications potentielles des ordinateurs quantiques :

• Cryptographie : Les ordinateurs quantiques peuvent casser certains algorithmes cryptographiques (la manière de crypter des données par exemple à l'aide de codes secrets ou de clés de chiffrement) , ce qui signifie qu'ils pourraient être utilisés pour améliorer les mesures de sécurité sur Internet par exemple.
• Optimisation : les ordinateurs quantiques pourraient être utilisés pour résoudre des problèmes d'optimisation, tels que le problème du voyageur de commerce, en un temps beaucoup plus court que les ordinateurs classiques.
• Apprentissage automatique : les ordinateurs quantiques pourraient être utilisés pour accélérer certains algorithmes d'apprentissage automatique et améliorer la précision des prédictions.
• Chimie et science des matériaux : les ordinateurs quantiques pourraient simuler le comportement des molécules et des matériaux, ce qui serait utile pour la découverte de médicaments et la conception de matériaux.
• Finance : Les ordinateurs quantiques pourraient être utilisés pour analyser et optimiser des investissement et pour améliorer les stratégies de gestion des risques.
• Intelligence artificielle : les ordinateurs quantiques pourraient être utilisés pour former et optimiser des modèles d'apprentissage profond, ce qui pourrait conduire à des améliorations significatives dans les applications d'IA.

Les ordinateurs quantiques fonctionnement-ils déjà ?

Oui, les ordinateurs quantiques existent déjà et fonctionnent, mais ils en sont encore aux premiers stades de développement et ne sont pas encore largement disponibles pour un usage général.  Plusieurs entreprises et instituts de recherche ont construit des ordinateurs quantiques à petite échelle avec quelques dizaines de qubits, mais ces dispositifs sont encore très expérimentaux et ont des applications pratiques limitées.

L'un des plus grands défis auxquels est confronté le développement des ordinateurs quantiques est le problème de la décohérence. C'est un phénomène qui se produit lorsqu'un système quantique interagit avec son environnement, par exemple par l'absorption ou l'émission de photons.  Cette interaction fait perdre au système quantique sa cohérence, ce qui signifie qu'il ne peut plus exister dans plusieurs états simultanément. Par exemple, imaginez un qubit qui se trouve dans une superposition de 0 et 1. Lorsque le qubit interagit avec son environnement, par exemple par des collisions avec d'autres particules, la superposition est perturbée et le qubit s'effondre dans l'un des deux états possibles, soit  0 ou 1. Cette perte de cohérence est appelée décohérence.

Cette décohérence est un défi majeur pour l'informatique quantique car elle limite la taille et la complexité des calculs quantiques qui peuvent être effectués avant que les erreurs ne deviennent trop importantes pour être corrigées.  À mesure que de plus en plus de qubits sont ajoutés à un ordinateur quantique, la probabilité de décohérence augmente, ce qui rend difficile la réalisation de calculs fiables.

Pour surmonter ce défi, les chercheurs développent de nouveaux algorithmes et techniques de correction d'erreurs qui peuvent atténuer les effets de la décohérence et améliorer la fiabilité des ordinateurs quantiques.  Bien qu'il reste encore un long chemin à parcourir avant que les ordinateurs quantiques puissent égaler la vitesse et la polyvalence des ordinateurs classiques, le potentiel de l'informatique quantique pour résoudre des problèmes complexes dans des domaines tels que la cryptographie, la science des matériaux et la découverte de médicaments stimule d'intenses efforts de recherche et de développement.

Pour aller plus loin, et bien comprendre les phénomène complexes qui sont en jeu, je vous recommande cet excellent article du CEA