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Mercredi 23 juin 2021

Comprendre les bases des ordinateurs quantiques

By César D.

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Actuellement, nous entendons énormément parler d’informatique quantique. Dans les journaux, les blogs et médias spécialisés. Mais qu’est-ce que c’est et comment cela fonctionne-t-il ? Le but de cet article est de comprendre l’intérêt et les bases du fonctionnement des ordinateurs quantiques. Nous y découvrirons ainsi ses avantages mais aussi ses limites pour mieux visualiser la façon dont on peut coder et calculer avec ce type de système.

Comment fonctionne l'informatique quantique ?

Un ordinateur quantique se sert des propriétés du « monde quantique » de la matière, telles que la superposition et l'intrication afin d'effectuer des opérations sur des données.

Mais déjà, c’est quoi le monde quantique ?

Le monde quantique décrit et explique le fonctionnement du monde microscopique, habitat naturel des molécules, des atomes ou des électrons. Grâce à lui, non seulement il a été possible d'expliquer ces phénomènes, mais il a également été possible de comprendre que la réalité subatomique fonctionne de manière totalement contre-intuitive à l’inverse de ce qui se produit dans le monde macroscopique.

Pour comprendre le monde quantique, il faut prendre en compte certaines propriétés :

  • La superposition quantique décrit comment une particule peut être dans différents états en même temps. C’est ce qu’a illustré le physicien Schrödinger avec l’expérience du chat dans la boîte dit « chat de Schrödinger ». https://www.institut-pandore.com/physique-quantique/chat-schrodinger-superposition-quantique/
  • L'intrication quantique décrit comment deux particules aussi éloignées que souhaité peuvent être corrélées de telle sorte d’être dans un état quantique similaire, sans être pour autant strictement identique, ne serait-ce qu’au niveau de leur localisation spatiale.
  • La téléportation quantique utilise l'intrication quantique pour envoyer des informations d'un endroit à un autre dans l'espace sans avoir besoin de la traverser.
  • La dualité onde-corpuscule décrit le fait qu’un atome se comporte à la fois comme une particule tant comme une onde.
  • L'observation influe sur le système observé. Dès qu’on mesure l’état d’un atome (par exemple avec des capteurs), cela provoque la modification de l’état de ce dernier.

Il faut savoir également que l’énergie des atomes ne peut varier que par paquet appelés quanta ou « quantum d’énergie ». Par exemple, si un électron passe d’un orbital haut autour du noyau à un autre de plus basse énergie. Il perd alors un quanta et dégage un photon. Si un photon de la même énergie est absorbé par un électron d’un orbital bas celui-ci peut alors se déplacer à un orbital plus haut. La physique quantique est la physique des échanges par paquets et des superpositions d’états

L’informatique quantique va se servir des propriétés décrites précédemment et utiliser ces sauts de quanta comme unité (Qbits) des mesures, le tout pour créer un système de calcul très puissant.

Qubits : l’unité fondamentale d'information en informatique quantique

Les Qubits sont des systèmes quantiques à deux niveaux qui comme les bits peuvent être au niveau bas, ce qui correspond à un état de faible excitation ou d'énergie définie comme 0, ou au niveau haut, ce qui correspond à un état d'excitation plus grande définie comme 1. Cependant, et c'est là que réside la différence fondamentale avec le calcul classique, les qubits peuvent également être dans l'un des états intermédiaires infinis entre 0 et 1.

Quels sont les avantages d’un ordinateur quantique ?

Le but des ordinateurs quantiques est de tirer parti des propriétés des qubits. En tant que systèmes quantiques, ils vont pouvoir exécuter des algorithmes quantiques qui utilisent la superposition et l'intrication pour offrir une capacité de traitement beaucoup plus grande que les ordinateurs classiques.

Les limites des ordinateurs quantiques

Même si les ordinateurs quantiques présentent de grands intérêts. Ils ont aussi des limites importantes. Les calculateurs quantiques actuels nécessitent d’être refroidis à l’extrême pour fonctionner.

La plupart d’entre eux doivent atteindre 0,1 Kelvin (- 273,05 °C) pour conserver leur état quantique ce qui demande des environnements spéciaux qui sont difficiles à maintenir et très vorace en énergie.

En outre, à chaque fois que l’on « mesure » un qubit, celui-ci perd sa capacité à prendre plusieurs valeurs et à rester intriqué. Il entre dans un état de « décohérence » et prend alors une unique valeur classique de 1 ou 0. Le calcul quantique est alors terminé.

Dans ces conditions, il est difficile de pouvoir repérer et corriger une erreur. Des algorithmes de réduction d'erreurs ont été développées en utilisant un code correcteur d’erreurs quantiques (le premier ayant été développé par Peter Shor). Cela permet notamment d’encoder un qubit logique dans plusieurs qubits physiques, de sorte que les erreurs deviennent traçables.

Les différents langages de programmations utilisés en informatique quantique

Selon le langage dans lequel on programme, plusieurs bibliothèques simulant du calcul quantique sont utilisables pour s'initier à l'informatique quantique :

  • Qiskit

  • Microsoft Quantum Development Kit et son langage Q sharp

  • Cirq, le langage développé par Google

 Mais alors, à quoi ça ressemble en pratique ?

Plusieurs sociétés on déjà créé des ordinateurs quantiques :

Sycamore - Google :

Q System One - IBM :

Les ordinateurs quantiques, une promesse d’avenir ?

L’utilisation de cette technologie et la puissance de calcul des futurs superordinateurs quantiques est une vraie révolution. Le “Qubit” met KO le bit d’un ordinateur classique car le premier peut prendre simultanément les deux valeurs, ce qui permet d’effectuer des calculs en parallèle.

Des calculs les plus complexes, qui pouvaient prendre énormément de temps avec des ordinateurs classiques, pourront être résolu en quelques secondes seulement.

Différents domaines comme la biologie, la géophysique ou encore la mécanique des fluides, qui sont des sciences qui utilisent énormément des paramètres qui interagissent entre eux, pourront en bénéficier et ainsi faire avancer la recherche plus vite. Un autre exemple de domaine nécessitant des ordinateurs très puissants est la météorologie. En effet, il s’agit de modélisation de mécanique des fluides et de thermiques en 3D avec beaucoup d’entrées de données donc les ordinateurs quantiques pourraient considérablement améliorer ces calculs et donc leur fiabilité. Qui ne rêve pas d’une météo précise pour ses futures vacances d’été?

Cependant, il faudra attendre encore quelques années avant de pouvoir surmonter les limites mentionnées précédemment tels que la fiabilité et reproduction des calculs.