L’ordinateur Quantique

Dans les page suivantes, nous aborderons les points relatifs à l’ordinateur Quantique.

L’ordinateur quantique, qui utilise des propriétés surprenantes de la matière à l’échelle de l’infiniment petit, promet de révolutionner le calcul.

Quand ces machines seront-elles au point ?

Pour faire quoi exactement ?

La France est-elle bien placée dans cette course au Graal quantique ?

C’est une machine qui défie l’imagination. Exploitant des propriétés étranges de la matière à l’échelle de l’infiniment petit. Et capable de résoudre en quelques minutes des calculs insolubles aujourd’hui. L’ordinateur quantique fait rêver les physiciens et aiguise aussi les appétits de beaucoup d’acteurs privés, à commencer par Google, IBM ou Atos.

Les États se sont également lancés dans cette course au Graal quantique, comme la France avec son plan quantique à 1,8 milliard d’euros.

Le point sur ce qu’il faut savoir de cette technologie prometteuse et de ses enjeux.

Un ordinateur quantique n’est pas l’équivalent d’un ordinateur classique tel que nous le connaissons, en fait ses calculs sont effectués à l’échelle atomique. Il se base sur les lois de la physique quantique, qui s’intéresse au comportement de la matière et de la lumière au niveau des atomes et en deçà.

A cette échelle, des phénomènes étranges, totalement contre-intuitifs, se produisent : un objet peut être dans plusieurs états tant qu’on ne l’a pas mesuré (c’est le principe de superposition quantique) et deux objets peuvent s’influencer même en étant séparés d’une grande distance (le principe de l’intrication quantique).

Ainsi, alors que l’ordinateur classique fonctionne avec des « bits », des informations stockées de manière binaire (avec des 0 et des 1), un ordinateur quantique fonctionne avec des « qubits », constitués de superpositions d’états entre 0 et 1. En bref, au lieu d’explorer un à un chacun des chemins, un ordinateur quantique est capable d’explorer tous les chemins en même temps.

Donc de calculer beaucoup plus rapidement.

Pour un panorama complet : Comment un ordinateur quantique est-il construit ?
Publié sur Numérama par Aymeric Delteil le 15 octobre 2022

Nouveau Graal de l’informatique, l’ordinateur quantique serait capable de traiter des masses de données gigantesques et de réaliser des opérations dépassant l’imagination. Google prétend ainsi avoir mis au point un processeur capable de mener une opération en trois minutes, là où le plus avancé des ordinateurs actuels aurait mis 10.000 ans (Ce record n’est pas confirmé par les concurrents, surtout IBM):

Ce type d’ordinateur pourrait notamment utiliser l’algorithme de Shor, qui permet de casser le système de cryptographie de type RSA, le système qui sécurise couramment nos communications sur internet comme les règlements inter-bancaires.

Optimiser la chaine logistique, inventer des molécules, … Partout où des calculs complexes sont en jeu, de la finance à l’industrie, l’ordinateur quantique permettrait de changer la donne. Surtout qu’en cours de route, d’autres applications du quantique sont en train de se concrétiser, comme celles des communications quantiques ou des capteurs quantiques.

L’un des domaines prometteurs est la simulation de nouveaux matériaux. « L’ordinateur quantique pourrait nous permettre de fabriquer un matériau supraconducteur à température ambiante, et donc de transférer de l’électricité sans perte, ce qui serait une avancée incroyable », avance par exemple Nicolas Sangouard, ou encore de concevoir un catalyseur qui permet de convertir l’azote en ammoniaque à température ambiante, et donc « de fabriquer des engrais azotés en utilisant très peu d’énergie », une révolution pour l’agriculture.

Beaucoup de scientifiques et de chercheurs en sont convaincus, quand d’autres émettent plus de réserves, au vu des défis technologiques à relever. Les états quantiques sont extrêmement fragiles, le fait même de les observer les perturbe. Pour manipuler les qubits, il faut ainsi généralement utiliser des atomes froids, piégés et refroidis par laser (à une température frisant les -273 °C, le zéro absolu), ce qui nécessite un matériel encombrant et couteux.

Plus il y a de qubits, plus il est difficile de tous les contrôler. Cela conduit à des erreurs dans les systèmes de calcul. Rien que pour faire tourner l’algorithme de Shor, il faudrait pouvoir contrôler, environ, 4000 qubits.

L’ordinateur quantique universel n’est donc pas pour demain, mais « si on continue d’y investir autant d’argent et autant d’énergie, on en aura un », soutient beaucoup de scientifiques. Mais aura-t-on la patience d’investir autant pendant encore quinze ou vingt ans ?

Ce que l’on sait faire aujourd’hui, ce sont de petits prototypes d’une dizaine ou une vingtaine de qubits sont disponibles via le cloud et les plus grosses machines sont de l’ordre d’une centaine de qubits ; mais le nombre de qubits augmente régulièrement. Difficile d’être plus précis aujourd’hui…

Certaines grandes compagnies comme IBM mettent ainsi à disposition en ligne « de petits ordinateurs quantiques ». De cette manière les primo utilisateurs ont la possibilité de leur donner des algorithmes intéressants à faire tourner. En revanche, Google ou Meta réserve généralement leurs machines à leurs employés.

Des instituts comme le CEA tentent aussi de développer leur propre machine. Une des options envisagées est d’acheter des petites machines développées par les start-up et d’essayer de les combiner avec des ordinateurs classiques, déjà très puissants, afin de les booster.

A ce jour, la Chine mène la danse, grâce à des investissements colossaux réalisés depuis une dizaine d’années. Les chercheurs chions sont vraiment à la pointe, surtout dans le domaine des communications quantiques où ils ont réalisé de la cryptographie par satellite.

Les GAFA sont également bien avancés dans cette course. Ces 5 dernières années on les a vus commencer à investir dans des centres de recherche d’une centaine de personnes qui leur coûtent des dizaines de millions par an. Il faut aussi tenir compte des investissements des sociétés informatiques traditionnelles comme IBM par exemple. Ces entreprises profitent des encouragements du gouvernement…

Enfin, l’Europe a commencé à sortir de sa torpeur. Au total, elle prévoit d’investir au moins 4,5 milliards d’euros d’ici à 2027 dans les technologies quantiques et les états membres se lancent aussi dans des efforts individuels.

La France a annoncé mi-janvier 2021 qu’elle compte investir 1,8 milliard d’euros en cinq ans dans les nouvelles technologies quantiques. Elle peut déjà compter sur ses nombreux spécialistes reconnus du quantique, dont plusieurs prix Nobel.

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Une excellente tribune dont je vais faire un petit résumé

L’informatique quantique diffère de l’informatique classique en utilisant des bits quantiques (qubits) au lieu de bits classiques pour effectuer des calculs. Les qubits peuvent exister dans plusieurs états simultanément, ce qui permet un nombre considérablement accru de résultats potentiels. L’informatique quantique va transformer radicalement beaucoup de secteurs d’activité.

Quelques rappels techniques

Rappelons que les ordinateurs quantiques fonctionnent sur la base de principes clés de la physique quantique :

• Qubits :
  • La pierre angulaire de l’informatique quantique, les qubits, sont la version quantique des bits binaires classiques. Contrairement aux bits réguliers qui sont soit 0 soit 1, un qubit peut représenter 0, 1 ou les deux en même temps.
• Superposition :
  • Grâce à la superposition, les qubits peuvent effectuer plusieurs calculs simultanément. C’est ce principe qui donne aux ordinateurs quantiques leur puissance de calcul exponentielle.
• Intrication :
  • Cet effet quantique permet aux qubits de se lier, de sorte que l’état d’un qubit peut affecter instantanément l’état d’un autre, quelle que soit la distance qui les sépare. Cette propriété permet aux ordinateurs quantiques de résoudre des problèmes complexes plus efficacement que les ordinateurs classiques.
• Portes quantiques :
  • Les portes quantiques sont des opérations qui peuvent être effectuées sur un ensemble de qubits. Elles ressemblent aux portes logiques de l’informatique classique mais, grâce à la superposition et à l’intrication, les portes quantiques peuvent traiter simultanément toutes les entrées possibles.
• Les ordinateurs quantiques nécessitent une infrastructure physique importante, refroidissant souvent la machine à des températures proches du zéro absolu et maintenant
• IBM a démontré que les ordinateurs quantiques pouvaient surpasser les principales simulations classiques .À l’aide du processeur quantique IBM Quantum « Eagle », composé de 127 qubits supraconducteurs sur une puce, ils ont réussi à générer de grands états intriqués qui simulent la dynamique de spin d’un modèle de matériau.

Avantages du quantique

Les principaux avantages des ordinateurs quantiques sont notamment :

• Plus rapide:
  • il peut effectuer n’importe quelle tâche plus rapidement par rapport à un ordinateur classique. Parce que les atomes se déplacent plus rapidement dans un ordinateur quantique qu’un ordinateur classique.
• Précis:
  • sa précision de plus haut niveau le rend adapté à la sécurité nationale et au traitement des mégadonnées.
• Efficacité énergétique:
  • il gaspille moins d’énergie

De nombreux secteurs révolutionnés

L’informatique quantique va révolutionner de nombreuses industries.

Par exemple :

• La finance
• La santé et la biotechnologie
• Les chaînes d’approvisionnement et la logistique
• La modélisation climatique et environnementale

Principales innovations

Voici quelques-unes des principales innovations dans le domaine de l’informatique quantique :

• Qubits améliorés
• Augmentation du nombre de qubits
• Correction des erreurs quantiques
• Algorithmes quantiques
• L’utilisation de l’apprentissage automatique quantique et de l’intelligence artificielle quantique
• Montée en puissance des services cloud quantiques
• Avancement de la correction d’erreurs quantiques

Source : Le potentiel révolutionnaire de l’informatique quantique constitue une rupture technologique majeure
Publié sur La Tribune par Xavier Dalloz  le 05 Sept 2023