Ordinateur Quantique Le future de l'informatique

Table Des Matières

Introduction


Comment pouvez-vous obtenir le maximum d’un minimum? Plus les ordinateurs deviennent petits, plus ils sont puissants qu’ils ont l’air d’être — il y a plus de capacités de numérisation dans un téléphone cellulaire du 21e siècle que ce que vous auriez trouvé dans un ordinateur militaire de taille d’une pièce il ya 50 ans. Pourtant, en dépit de ces progrès étonnants, il y a encore beaucoup de problèmes complexes qui échappent aux ordinateurs les plus puissants du monde— et il n’y a aucune garantie que nous serions en mesure de les affronter. Un problème est que les unités de base de commutation et de mémoire des ordinateurs, connues sous le nom de transistors, s’approchent maintenant du point où ils seront bientôt aussi petits que les atomes individuels. Si nous voulons des ordinateurs plus petits et plus puissants que ceux d’aujourd’hui, nous devrons bientôt faire notre informatique de manière radicalement différente.

Informatique Quantique
Photo: L’ordinateur quantique signifie stocker et traiter des informations en utilisant des atomes, des ions, des électrons ou des photons individuels. Sur le côté positif, cela ouvre la possibilité d’ordinateurs plus rapides, mais l’inconvénient est la plus grande complexité de la conception d’ordinateurs qui peuvent fonctionner dans le monde étrange de la physique quantique. Photo: Avec la permission du ministère américain de l’Énergie.

Entrer dans le domaine des atomes ouvre grand les portes sur de nouvelles possibilités puissantes sous forme de calculateurs quantiques, avec des processeurs qui pourraient fonctionner des millions de fois plus rapides que ceux que nous utilisons aujourd’hui. Ça a l’air génial, mais le problème est que l’ordinateur quantique est extrêmement plus complexe que l’informatique traditionnelle et opère dans le monde des pays des merveilles de la physique quantique. Ça a l’air génial, mais le problème est que l’ordinateur quantique est extrêmement plus complexe que l’informatique traditionnelle et opère dans le monde des pays des merveilles de la physique quantique, où les lois quotidiennes  classiques et sensibles de la physique ne s’appliquent plus. Qu’est-ce que l’ordinateur quantique et comment cela fonctionne-t-il? Allons-y, regardons de plus près!

Qu’Est-Ce Que l’Informatique Conventionnelle?


Vous pensez probablement à un ordinateur comme un petit gadget soigné qui se trouve sur vos genoux et vous permet d’envoyer des emails, de faire des achats en ligne, de discuter avec vos amis ou de jouer à des jeux —mais c’est beaucoup plus et beaucoup moins que ça. C’est beaucoup plus parce que c’est une machine à usage complètement général: vous pouvez faire avec un ordinateur pratiquement tout ce que vous aimez. C’est beaucoup  moins, parce que, à l’intérieur, ce n’est qu’un calculateur extrêmement basique, qui suit un ensemble d’instructions préétabli appelé programme.

Informatique Quantique - Transistor
C’est à quoi un transistor d’une carte de circuit typique ressemble. Dans les ordinateurs, les transistors sont beaucoup plus petits que cela et des millions d’entre eux sont emballés ensemble sur des micro-puces.

Les ordinateurs classiques ont deux choses qu’ils font très bien: ils peuvent stocker des nombres en mémoire et ils peuvent traiter des nombres stockés avec des opérations mathématiques simples (comme ajouter et soustraire). Ils peuvent faire des choses plus complexes en associant des opérations simples à une série appelée algorithme (la multiplication peut être faite comme une série d’ajouts, par exemple). Les deux astuces clés de l’ordinateur – stockage et traitement – sont réalisées à l’aide d’interrupteurs (switches) appelés transistors, qui sont comme des versions microscopiques des interrupteurs que vous avez sur votre mur pour allumer ou éteindre les lumières. Un transistor peut être activé ou désactivé, tout comme une lumière peut être allumée ou éteinte. S’il est activée, nous pouvons utiliser un transistor pour stocker le numéro un (1); s’il est désactivée, il stocke le nombre zéro (0). Les chaînes longues des (o) et (1) peuvent être utilisées pour stocker n’importe quel nombre, lettre ou symbole à l’aide d’un code basé sur le système binaire (ainsi, les ordinateurs stockent la lettre (A)  majuscule comme 1000001 et  (a) minuscule comme 01100001). Chacun des (0) ou (1) est appelé un chiffre binaire (ou bit) et, avec une chaîne de huit bits, vous pouvez stocker 255 caractères différents (tels que A-Z, a-z, 0-9 et les symboles les plus communs). Les ordinateurs calculent en utilisant des circuits appelés portes logiques, qui sont constitués d’un certain nombre de transistors connectés ensembles. Les portes logiques comparent les modèles de bits, stockés dans des mémoires temporaires appelés registres, et ensuite les transformer en nouveaux modèles de bits — et c’est l’équivalent informatique de ce que notre cerveau humain appellerait addition, soustraction ou multiplication. En termes physiques, l’algorithme qui effectue un calcul particulier prend la forme d’un circuit électronique constitué d’un certain nombre de portes logiques, avec la sortie d’une porte d’alimentation comme entrée à la prochaine.

Le problème avec les ordinateurs classiques est qu’ils dépendent des transistors conventionnels. Cela pourrait ne pas ressembler à un problème si vous prenez en considération les progrès impressionnants réalisés dans l’électronique au cours des dernières décennies. Lorsque le transistor a été inventé, en 1947, l’interrupteur (appelé tube à vide) était à peu près aussi grand que l’un de vos pouces. Maintenant, un microprocesseur à la fine pointe de la technologie (ordinateur à puce unique) emploie des centaines de millions (et jusqu’à deux milliards) de transistors sur une puce de silicium de la taille de votre ongle! De telles puces, appelés circuits intégrés, constituent un exploit incroyable de la miniaturisation. Dans les années 1960, le cofondateur d’Intel, Gordon Moore, s’est rendu compte que la puissance des ordinateurs doublait environ 18 mois — et cela s’est toujours fait depuis. Cette tendance apparemment indéfectible est connue sous le nom de la loi de Moore.

Cela semble incroyable, et c’est vrai, mais cela manque le but. Plus d’informations à stocker, veut dire plus de binaires (0) et (1) —et des transistors— vous devez le faire. Comme la plupart des ordinateurs classiques ne peuvent faire qu’une chose à la fois, plus complexe est le problème que vous voulez qu’ils résolvent, plus d’étapes qui doivent être prises et plus ils auront besoin de le faire. Certains problèmes informatiques sont si complexes qu’ils ont besoin de plus de puissance et de temps de calcul que n’importe quelle machine moderne pourrait raisonnablement fournir; les informaticiens appellent ces problèmes insolubles. Au fur et à mesure que la loi de Moore avance, le nombre de problèmes difficiles à résoudre diminue: les ordinateurs deviennent plus puissants et nous pouvons en faire plus avec eux. Le problème est que les transistors sont à peu près aussi petits que nous pouvons les faire: nous arrivons au point où les lois de la physique semblent susceptibles de mettre un terme à la loi de Moore. Malheureusement, il existe des problèmes de calcul extrêmement difficiles auxquels nous ne pouvons pas faire face, car même les ordinateurs les plus puissants les trouvent introuvables. Malheureusement, il existe des problèmes de calcul extrêmement difficiles auxquels nous sommes en mesure de faire face, car même les ordinateurs les plus puissants les trou insolubles. C’est l’une des raisons pour lesquelles les gens s’intéressent maintenant à l’ordinateur quantique.

Qu’Est-Ce Qu’un Ordinateur Quantique?


La théorie quantique est la branche de la physique qui traite le monde des atomes et des particules les plus petites (subatomiques). Vous pourriez penser que les atomes se comportent de la même manière que tout le reste du monde, dans leur propre petit chemin mais ce n’est pas vrai: sur l’échelle atomique, les règles changent et les lois «classiques» de la physique que nous considérons comme acquises dans notre monde quotidien ne s’appliquent plus. Comme l’a dit Richard P. Feynman, l’un des plus grands physiciens du 20ème siècle.

Si vous avez étudié la lumière, vous connaissez déjà un peu la théorie quantique. Vous savez peut-être qu’un faisceau de lumière se comporte parfois comme s’il était constitué de particules (comme un courant régulier de boulets de canon) et parfois comme s’il s’agissait de vagues d’énergie qui ondulent dans l’espace (un peu comme les vagues sur la mer).  C’est ce qu’on appelle la dualité onde-particule et c’est l’une des idées qui nous vient de la théorie quantique. Il est difficile de comprendre que quelque chose peut être deux choses à la fois —une particule et une onde —parce que c’est totalement étrange à notre expérience quotidienne: une voiture n’est pas en même temps une bicyclette et un bus. Dans la théorie quantique, cependant, c’est juste le genre de chose folle qui peut arriver. L’exemple le plus frappant est l’énigme déconcertant connu sous le nom de chat de Schrödinger. Brièvement, dans le monde étrange de la théorie quantique, on peut imaginer une situation où quelque chose comme un chat pourrait être vivant et mort en même temps!

Qu'est ce que l'Ordinateur Quantique

Qu’est-ce que tout cela a à voir avec les ordinateurs? Supposons que nous continuions à pousser la loi de Moore —continuer à rendre les transistors plus petits jusqu’à ce qu’ils obtiennent le point où ils n’obéissent pas aux lois ordinaires de la physique (comme les transistors de style ancien), mais aux lois plus bizarres de la mécanique quantique. La question est de savoir si les ordinateurs conçus de cette façon peuvent faire des choses que nos ordinateurs classiques ne peuvent pas. Si nous pouvons prédire mathématiquement qu’ils pourraient le faire, pouvons-nous effectivement les faire fonctionner comme tel en pratique?

Les gens posent ces questions depuis plusieurs décennies. Parmi les premiers étaient des physiciens de recherche d’IBM Rolf Landauer and Charles H. Bennett. Landauer a ouvert la porte à l’ordinateur quantique dans les années 1960 quand il a proposé que cette information soit une entité physique qui puisse être manipulée selon les lois de la physique. Une conséquence importante de cela est que les ordinateurs gaspillent de l’énergie en manipulant les bits à l’intérieur d’eux (ce qui explique en partie pourquoi les ordinateurs utilisent tellement d’énergie et deviennent tellement chauds, même s’ils semblent ne rien faire ). Dans les années 1970, en s’appuyant sur le travail de Landauer, Bennett a montré comment un ordinateur pouvait contourner ce problème en travaillant de manière «réversible», ce qui implique qu’un ordinateur quantique pourrait effectuer des calculs massivement complexes sans utiliser d’énormes quantités d’énergie. En 1981, le physicien Paul Benioff du laboratoire national d’Argonne a essayé d’envisager une machine de base qui fonctionnerait de manière similaire à un ordinateur ordinaire, mais selon les principes de la physique quantique. L’année suivante, Richard Feynman a esquissé à peu près comment une machine utilisant des principes quantiques pourrait effectuer des calculs de base. Quelques années plus tard, David Deutsch de l’université d’Oxford (l’une des principales lumières de l’ordinateur quantique) a décrit plus en détail la base théorique d’un ordinateur quantique. Comment ces grands scientifiques ont-ils imaginé que les ordinateurs quantiques pourraient fonctionner?

Ordinateur Quantique


Les caractéristiques clés d’un ordinateur ordinaire —les bits, les registres, les portes logiques, les algorithmes et ainsi de suite— ont des caractéristiques analogues dans un ordinateur quantique. Au lieu des bits, un ordinateur quantique a des bits quantiques ou qubits, qui fonctionnent d’une manière particulièrement intrigante. Là où le bit stocke un (0) ou (1), un qubit peut stocker un (0), (1), à la fois (0) et (1), ou un nombre infini de valeurs entre eux —et être dans plusieurs états (stocker plusieurs valeurs) en même temps! Si cela semble déboussolé, réfléchissez à la lumière étant une particule et une onde en même temps, Le chat de Schrödinger vivant et mort, ou une voiture étant un vélo et un bus. Une façon plus douce de penser au nombre de qubits store est la notion de physique de la superposition (où deux vagues s’ajoutent pour créer une troisième qui contient les deux originaux). Si vous soufflez sur quelque chose comme une flûte, une onde constituée d’une fréquence fondamentale (la note de base que vous jouez) et de nombreuses harmonies ou harmoniques (multiple fréquences supérieures de la fondamentale). L’onde à l’intérieur du tuyau contient toutes ces ondes simultanément: ils sont ajoutés pour créer une onde combinée qui les inclut tous. Qubits utilise la superposition pour représenter plusieurs états (valeurs numériques multiples) simultanément de manière similaire.

Tout comme un ordinateur quantique peut stocker plusieurs nombres à la fois, afin qu’il puisse les traiter simultanément. Au lieu de travailler en série (faire une série de choses à la fois dans une séquence), Il peut fonctionner en parallèle (faire plusieurs choses en même temps). Ce n’est que lorsque vous essayez de savoir dans quel état il se trouve actuellement à un moment donné (en le mesurant, en d’autres termes) est-il « effondré » dans l’un de ses états possibles —et cela vous donne la réponse à votre problème. Les estimations suggèrent que la capacité d’un ordinateur quantique à travailler en parallèle le rendrait des millions de fois plus rapide que n’importe quel ordinateur conventionnel …Si seulement nous pouvions le construire! Alors, comment allons-nous faire cela?

À Quoi Ressemblerait Un Ordinateur Quantique En Réalité?


En réalité, les qubits devraient être stockés par des atomes, des ions (atomes avec trop ou peu d’électrons) ou même des choses plus petites telles que les électrons et les photons (paquets d’énergie), donc un ordinateur quantique serait presque comme une version table-top du genre d’expériences de physique des particules qu’ils font à Fermilab ou au CERN! maintenant vous auriez besoin de mécanismes pour contenir des atomes, des ions ou des particules subatomiques, pour les mettre dans certains états (afin que vous puissiez stocker des informations), les frappant dans d’autres états pour les rendre capable de traiter les informations, et déterminer ce que leurs états deviennent après que des opérations particulières ont été effectuées.

Informatique Quantique - Expérience cavité-QED à un seul atome.
Les atomes de césium à froid sont déposés dans une cavité optique à haute finesse d’espacement axial d’environ 10 micromètres. La trajectoire d’un atome unique traversant la cavité est reconstruite (insertion) en surveillant le champ qui sort de la cavité.

En pratique, il existe de nombreuses façons possibles de contenir des atomes et de changer leurs états en utilisant des rayons laser, des champs électromagnétiques, des ondes radio et un éventail d’autres techniques. Une méthode consiste à faire des qubits en utilisant des points quantiques, qui sont de minuscules particules nanoscopiques de semi-conducteurs à l’intérieur desquelles les porteurs de charge individuels, les électrons et les trous (électrons manquants), peuvent être contrôlés. Une autre méthode crée qubits de ce qu’on appelle des pièges à ions: vous ajoutez ou éliminez des électrons d’un atome pour créer un ion, maintenez-le stable dans une sorte de projecteur laser (il est ainsi verrouillé en place tel un lapin nanoscopique dansant dans un phare à forte lumière), puis retournez-le dans différents états avec des impulsions laser. Dans une autre technique, les qubits sont des photons à l’intérieur des cavités optiques (espaces entre des miroirs extrêmement minuscules). Comme tout le domaine de l’ordinateur quantique est encore largement théorique et abstrait, la seule chose que nous devons vraiment savoir, c’est que les qubits sont stockés par des atomes ou d’autres particules à échelle quantique qui peuvent exister dans différents états et être commutés entre elles.

Ce Que l’ordinateur Quantique Peut Faire à La Différence Des Ordinateurs Ordinaires


Bien que les gens supposent souvent que les ordinateurs quantiques doivent être automatiquement meilleurs que ceux conventionnels, ce n’est pas certain. Jusqu’à présent, la seule chose que nous savons avec certitude qu’un ordinateur quantique pourrait faire mieux que d’habitude est la factorisation: finding two unknown prime numbers that, when multiplied together, give a third, known number. In 1994, alors qu’i travaillait chez Bell Laboratories, le mathématicien Peter Shor a démontré un algorithme qu’un ordinateur quantique pourrait suivre pour trouver les «facteurs premiers» d’un grand nombre, ce qui pourrait accélérer considérablement le problème. L’algorithme de Shor a vraiment suscité l’intérêt pour l’ordinateur quantique, parce que pratiquement tous les ordinateurs modernes (et tous les sites d’achat et banques en ligne sécurisés) utilise une technologie de cryptage à clé publique basée sur l’impossibilité virtuelle de trouver rapidement des facteurs primaires (en d’autres termes, un problème informatique essentiellement insoluble). Si les ordinateurs quantiques pouvaient effectivement prendre rapidement en compte de nombreux nombres, d’un coup, la sécurité en ligne d’aujourd’hui pourrait devenir obsolète.

Informatique Quantique - Points Quantiques
Les points quantiques sont probablement plus connus sous le nom de cristaux colorés à l’échelle nanométrique, mais ils peuvent également être utilisés comme qubits dans des ordinateurs quantiques

Est ce que cela signifie que les ordinateurs quantiques sont meilleurs que ceux conventionnels? Pas exactement. En dehors de l’algorithme de Shor et une méthode de recherche appelée l’algorithme de Grover, presque aucun autre algorithme n’a été découvert qui serait mieux réalisé par des méthodes quantiques. Compte tenu de suffisamment de temps et de pouvoir informatique, les ordinateurs classiques devraient encore pouvoir résoudre tout problème que les ordinateurs quantiques pourraient résoudre, éventuellement. En d’autres termes, il reste à prouver que les ordinateurs quantiques sont généralement supérieurs aux classiques,surtout quand on pense aux difficultés de les construire réellement. Qui sait comment les ordinateurs classiques deviendront au cours des 50 prochaines années? ce qui pourrait facilement rendre l’idée des ordinateurs quantiques sans importance, voire même absurde.

L’Ordinateur Quantique Est-Il Si Loin?


Trois décennies après leur première proposition, l’Ordinateur quantique reste largement théorique. Même ainsi, il y a eu des progrès encourageants vers la réalisation d’une machine à quantum. Il y a eu deux progrès impressionnantes en 2000. Tout d’abord, Isaac Chuang (maintenant professeur du MIT, mais travaillant au Centre de recherche d’Almaden d’IBM) a utilisé cinq atomes de fluor pour fabriquer un ordinateur quantique brut de cinq qubits. La même année, les chercheurs du Laboratoire National de Los Alamos ont découvert comment fabriquer une machine à sept qubits utilisant une goutte de liquide. Cinq ans plus tard, es chercheurs de l’Université d’Innsbruck ont ajouté un qubit supplémentaire et ont produit le premier ordinateur quantique qui pourrait manipuler un quoitant (huit qubits).

Ordinateur Quantique D-WaveC’etait des tentatives mais des premières étapes vraiments très importantes. Au cours des prochaines années, les chercheurs ont annoncé des expériences plus ambitieuses, ajoutant progressivement un plus grand nombre de qubits. En 2011, une société canadienne pionnière appelée D-Wave Systems a annoncé dans Nature qu’elle avait produit une machine à 128 qubits. Trois ans plus tard, Google a annoncé qu’il était en train d’embaucher une équipe d’universitaires (Y compris le physicien John Martinis de l’Université de Californie à Santa Barbara) pour développer ses propres ordinateurs quantiques basés sur l’approche de D-Wave. En mars 2015, l’équipe Google a annoncé qu’ils étaient « un pas en avant de l’ordinateur quantique », ayant développé une nouvelle façon pour qubits de détecter et de protéger contre les erreurs. En 2016, Isaac Chang du MIT et des scientifiques de l’Université d’Innsbruck ont dévoilé un ordinateur quantique ion-trap à cinq qubits qui pourrait calculer les facteurs de 15; un jour, une version agrandie de cette machine pourrait évoluer vers ce qui a été longtemps promis, pleinement engagé de cryptage à part entière! Il n’y a pas de doute que ce sont des avancées extrêmement importantes. Même si, c’est très tôt pour tout le domaine —peut-être même des décennies.

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