Posted 19 janvier 2022 in Blog, Data, Quantum.

L’informatique quantique va probablement transformer la façon dont nous comprenons de nombreux aspects de notre monde et dont nous abordons certains types de problèmes complexes. Basée sur l’exploitation de la mécanique quantique pour générer de la puissance de calcul, elle peut être aussi déconcertante que fascinante.

Vous trouverez ici une introduction à l’informatique quantique. Pour en savoir plus, abonnez-vous à OpenSpace 29, le dernier numéro de notre magazine de réflexion dans lequel nous fournissons un guide du débutant sur l’informatique quantique plus détaillé.

Se familiariser avec l’incertitude est un élément essentiel si nous voulons comprendre l’informatique quantique – même Einstein a décrit l’une des caractéristiques quantiques exploitées pour l’informatique comme « effrayante ». Nombre de concepts sous-jacents ne sont pas intuitifs et nécessitent des mathématiques complexes pour être pleinement illustrés.

Pourquoi l’informatique quantique ?

Dans de nombreux domaines, nous devons réaliser des calculs d’une complexité spectaculaire, que ce soit pour approfondir notre compréhension ou assurer notre sécurité. Certains des défis présentés par ces calculs dépassent les capacités des ordinateurs classiques, y compris les supercalculateurs, car ils ne peuvent pas les résoudre ou ne peuvent pas le faire assez rapidement pour être utiles.

L’optimisation de systèmes complexes, l’intelligence artificielle, la simulation de matériaux et de produits chimiques sont quelques exemples qui nécessitent la manipulation de nombres extrêmement grands. En modélisation chimique, par exemple, nous devons considérer chaque interaction électron-électron, car chaque électron exerce une force électrique sur tous les autres. Une seule variable supplémentaire (un électron supplémentaire) crée un défi exponentiellement plus grand en matière de calcul.

Comprendre le défi exponentiel

Considérons le placement optimal d’une table avec six convives. Avec l’informatique traditionnelle, chacune des 720 options de placement est examinée à tour de rôle jusqu’à trouver la bonne réponse. Si l’on double le nombre de convives, le nombre d’options de placement monte à 479 001 600.

Cet exemple nous montre comment un changement, en apparence mineur, d’un paramètre du « problème » provoque une croissance exponentielle du nombre de réponses possibles – et donc aussi de la puissance de calcul nécessaire pour trouver la solution optimale.

Trouver où placer vos convives lors des dîners n’apparaît pas comme une utilisation utile de l’informatique quantique, mais c’est une bonne illustration du défi que représente, par exemple, les options d’itinéraires à travers une ville.

À l’heure actuelle, notre capacité à modéliser des situations complexes implique des calculs qui prennent des semaines, des mois ou des années, même en utilisant de puissants supercalculateurs. L’informatique quantique a le potentiel de changer cela, nous permettant de résoudre et de comprendre en quelques minutes des problèmes beaucoup plus complexes dans les domaines de la science, de la production, de la logistique, de la finance et de la sécurité. Elle nous permettrait de remodeler le paysage de l’innovation et de la concurrence dans de nombreux domaines, ainsi que d’exploiter la nature pour améliorer le monde de manière radicale.

quantum computer

Qu’est-ce que l’informatique quantique ?

L’informatique quantique exploite les propriétés de la mécanique quantique pour résoudre des problèmes de calcul.

L’informatique classique utilise des « bits » qui peuvent avoir la valeur 1 ou 0, avec des réponses dérivées de séquences complexes basées sur la manipulation de ces 1 et 0. En informatique quantique, l’équivalent d’un bit est un bit quantique (aussi appelé « qubit »). Un qubit peut avoir la valeur 1 ou 0. Cependant, grâce au comportement quantique, il peut également avoir les deux valeurs en même temps. Cela signifie qu’un qubit contient techniquement la « bonne » valeur à tout moment.

(Une analogie intéressante est celle du jeu pile ou face : quand la pièce de monnaie est sur la table, elle a la valeur pile ou face, mais quand nous la lançons, nous pouvons considérer qu’elle a les deux valeurs.)

Puisque les qubits d’un ordinateur quantique peuvent avoir à la fois la valeur 0 ou 1, il peut essayer toutes les combinaisons en une seule fois. Cette propriété des qubits de contenir tous les nombres corrects et incorrects signifie toutefois que le résultat est à la fois bon et mauvais, de sorte que des algorithmes doivent être appliqués pour supprimer les mauvaises réponses et ne laisser que la bonne. Néanmoins, le processus de calcul pour évaluer les options ne se produit qu’une seule fois en informatique quantique, et non plusieurs fois de façon séquentielle.

Pour déterminer la « puissance » d’un ordinateur quantique, nous pouvons utiliser la formule 2N, où N est le nombre de qubits. Par exemple, un ordinateur quantique à 50 qubits pourrait traiter plus de mille billions de nombres. Un ordinateur à 300 qubits pourrait traiter plus de nombres qu’il n’y a d’atomes dans l’univers ! C’est parce que ces énormes volumes de données peuvent être traités simultanément que les ordinateurs quantiques s’avèrent intéressants pour des problèmes de calcul exponentiellement complexes.

Applications

Il n’est pas correct de considérer l’informatique quantique comme une étape évolutive de l’informatique classique. Les ordinateurs quantiques conviennent parfaitement à des défis de calcul spécifiques : essentiellement ceux qui présentent des entrées et sorties de données relativement petites, mais des possibilités infinies, car cela correspond directement au comportement mécanique quantique d’un qubit.

Il ne fait aucun doute que nous trouverons de nouvelles utilisations extraordinaires aux ordinateurs quantiques que nous ne pouvons pas concevoir aujourd’hui. Pour l’instant, voici certaines utilisations potentielles :

  • logistique, y compris la gestion des flux de trafic dans les villes intelligentes et l’expédition de marchandises à l’échelle internationale
  • chimie quantique
  • cryptographie
  • prévisions météorologiques
  • sources et production d’énergie
  • prévisions des marchés financiers
  • optimisation des missions d’exploration spatiale à distance lors de la conception de la mission
  • modélisation du cerveau et du monde qui nous entoure.

Pour en savoir plus

Dans le magazine OpenSpace 29, vous trouverez un guide du débutant sur l’informatique quantique plus détaillé, qui couvre notamment les aspects relatifs au contrôle et à la mesure des qubits, ainsi que des explications sur des termes comme la rotation, la superposition et l’intrication.

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