Qu’est-ce que l’avantage quantique ? Le moment où des ordinateurs quantiques extrêmement puissants arriveront

Qu’est-ce que l’avantage quantique ? Le moment où des ordinateurs quantiques extrêmement puissants arriveront

Horodatage: 17 novembre 2023 3:03

L’avantage quantique est l’étape vers laquelle le domaine de l’informatique quantique travaille avec ferveur, lorsqu’un ordinateur quantique peut résoudre des problèmes qui sont hors de portée des ordinateurs non quantiques ou classiques les plus puissants.

Le quantum fait référence à l’échelle des atomes et des molécules où les lois de la physique telles que nous les expérimentons s’effondrent et où un ensemble de lois différent et contre-intuitif s’applique. Les ordinateurs quantiques profitent de ces comportements étranges pour résoudre des problèmes.

Il existe certains types de problèmes peu pratique à résoudre pour les ordinateurs classiques tels que cracker des algorithmes de cryptage de pointe. Les recherches menées au cours des dernières décennies ont montré que les ordinateurs quantiques ont le potentiel de résoudre certains de ces problèmes. Si un ordinateur quantique peut être construit pour résoudre réellement l’un de ces problèmes, il aura démontré un avantage quantique.

Je suis un physicien qui étudie le traitement de l'information quantique et le contrôle des systèmes quantiques. Je crois que cette frontière de l’innovation scientifique et technologique promet non seulement des progrès révolutionnaires en matière de calcul, mais représente également un essor plus large de la technologie quantique, y compris des progrès significatifs dans la cryptographie quantique et la détection quantique.

La source de la puissance de l'informatique quantique

Au cœur de l’informatique quantique se trouve le bit quantique, ou qubit. Contrairement aux bits classiques, qui ne peuvent être que dans les états 0 ou 1, un qubit peut être dans n'importe quel état qui est une combinaison de 0 et 1. Cet état qui ne contient ni seulement 1, ni seulement 0 est connu sous le nom d'état. superposition quantique. Avec chaque qubit supplémentaire, le nombre d’états pouvant être représentés par les qubits double.

Cette propriété est souvent confondue avec la source de la puissance de l’informatique quantique. Il s'agit plutôt d'un jeu complexe de superpositions, ingérence et une enchevêtrement.

L'interférence implique la manipulation des qubits afin que leurs états se combinent de manière constructive pendant les calculs pour amplifier les solutions correctes et de manière destructrice pour supprimer les mauvaises réponses. L'interférence constructive se produit lorsque les pics de deux ondes, comme les ondes sonores ou les vagues océaniques, se combinent pour créer un pic plus élevé. L’interférence destructrice se produit lorsqu’un pic et un creux d’onde se combinent et s’annulent. Les algorithmes quantiques, peu nombreux et difficiles à concevoir, établissent une séquence de modèles d'interférence qui donnent la bonne réponse à un problème.

L'intrication établit une corrélation quantique unique entre les qubits : l'état de l'un ne peut pas être décrit indépendamment des autres, quelle que soit la distance qui les sépare. C’est ce qu’Albert Einstein a qualifié d’« action effrayante à distance ». Le comportement collectif de l'intrication, orchestré par un ordinateur quantique, permet des accélérations de calcul hors de portée des ordinateurs classiques.

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Applications de l'informatique quantique

L’informatique quantique a de nombreuses utilisations potentielles dans lesquelles elle peut surpasser les ordinateurs classiques. En cryptographie, les ordinateurs quantiques représentent à la fois une opportunité et un défi. Le plus célèbre, c'est qu'ils ont le potentiel de déchiffrement des algorithmes de chiffrement actuels, comme le largement utilisé Régime RSA.

L’une des conséquences de cette situation est que les protocoles de chiffrement actuels doivent être repensés pour résister aux futures attaques quantiques. Cette reconnaissance a conduit au domaine en plein essor de cryptographie post-quantique. Après un long processus, l'Institut national des normes et technologies a récemment sélectionné quatre algorithmes résistants aux quantiques et a commencé à les préparer afin que les organisations du monde entier puissent les utiliser dans leur technologie de cryptage.

En outre, l’informatique quantique peut considérablement accélérer la simulation quantique : la capacité de prédire le résultat d’expériences menées dans le domaine quantique. Célèbre physicien Richard Feynman envisagé cette possibilité il y a plus de 40 ans. La simulation quantique offre un potentiel de progrès considérables en chimie et en science des matériaux, aidant dans des domaines tels que la modélisation complexe de structures moléculaires pour la découverte de médicaments et permettant la découverte ou la création de matériaux dotés de propriétés nouvelles.

Une autre utilisation de la technologie de l’information quantique est détection quantique: détecter et mesurer des propriétés physiques telles que l'énergie électromagnétique, la gravité, la pression et la température avec une plus grande sensibilité et précision que les instruments non quantiques. La détection quantique a une myriade d'applications dans des domaines tels que surveillance de l'environnement, exploration géologique, l'imagerie médicaleet une surveillance.

Des initiatives telles que le développement d'un Internet quantique qui interconnectent les ordinateurs quantiques constituent une étape cruciale vers la transition entre les mondes informatique quantique et classique. Ce réseau pourrait être sécurisé à l’aide de protocoles cryptographiques quantiques tels que la distribution de clés quantiques, qui permettent des canaux de communication ultra-sécurisés et protégés contre les attaques informatiques, y compris celles utilisant des ordinateurs quantiques.

Malgré une suite d'applications croissante pour l'informatique quantique, le développement de nouveaux algorithmes qui exploitent pleinement l'avantage quantique, en particulier en apprentissage automatique— demeure un domaine critique de recherche en cours.

un appareil métallique avec une lumière laser verte en arrière-plan
Un prototype de capteur quantique développé par des chercheurs du MIT peut détecter n'importe quelle fréquence d'ondes électromagnétiques. Crédit d'image : Guoqing Wang, CC BY-NC-ND

Rester cohérent et surmonter les erreurs

La domaine de l'informatique quantique fait face à des obstacles importants en matière de développement matériel et logiciel. Les ordinateurs quantiques sont très sensibles à toute interaction involontaire avec leur environnement. Cela conduit au phénomène de décohérence, où les qubits se dégradent rapidement vers les états 0 ou 1 des bits classiques.

Construire des systèmes informatiques quantiques à grande échelle capables de tenir la promesse d’accélérations quantiques nécessite de surmonter la décohérence. La clé est de développer des méthodes efficaces de supprimer et corriger les erreurs quantiques, un domaine sur lequel mes propres recherches se concentrent.

Pour relever ces défis, de nombreux startups de matériel et de logiciels quantiques ont émergé aux côtés d’acteurs bien établis de l’industrie technologique comme Google et IBM. Cet intérêt de l'industrie, combiné à des investissements importants de la part des gouvernements du monde entier, souligne une reconnaissance collective du potentiel de transformation de la technologie quantique. Ces initiatives favorisent un écosystème riche où le monde universitaire et l’industrie collaborent, accélérant ainsi les progrès dans le domaine.

L’avantage quantique en vue

L'informatique quantique pourrait un jour être aussi disruptive que l'arrivée de IA générative. Actuellement, le développement de la technologie informatique quantique se trouve à un tournant crucial. D’une part, ce domaine a déjà montré les premiers signes d’un avantage quantique étroitement spécialisé. Chercheurs chez Google et plus tard un équipe de chercheurs en Chine avantage quantique démontré pour générer une liste de nombres aléatoires avec certaines propriétés. Mon équipe de recherche a démontré une accélération quantique pour un jeu de devinettes de nombres aléatoires.

D’un autre côté, il existe un risque tangible d’entrer dans un « hiver quantique », une période de réduction des investissements si les résultats pratiques ne se concrétisent pas à court terme.

Alors que l’industrie technologique s’efforce d’offrir un avantage quantique en matière de produits et de services à court terme, la recherche universitaire reste concentrée sur l’étude des principes fondamentaux qui sous-tendent cette nouvelle science et technologie. Cette recherche fondamentale continue, alimentée par des cadres enthousiastes d'étudiants nouveaux et brillants du type que je rencontre presque tous les jours, garantit que le domaine continuera à progresser.

Cet article est republié de The Conversation sous une licence Creative Commons. Lis le article original.

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