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Comment fonctionne l’informatique quantique ? – ExtrêmeTech

L’informatique quantique semble tout simplement cool. Nous avons tous entendu parler de l’investissement massif pour en faire une réalité et de sa promesse de percées dans de nombreuses industries. Mais toute cette presse est généralement courte sur ce que c’est et comment cela fonctionne. C’est pour une raison : l’informatique quantique est assez différente de l’informatique numérique traditionnelle et nécessite de penser les choses de manière non intuitive. Oh, et il y a les maths. Beaucoup.

Cet article ne fera pas de vous un expert, mais il devrait vous aider à comprendre ce qu’est l’informatique quantique, pourquoi c’est important et pourquoi c’est si excitant. Si vous avez déjà une formation en mécanique quantique et en mathématiques aux études supérieures, vous n’avez probablement pas besoin de lire cet article. Vous pouvez sauter directement dans un livre comme Une douce introduction à l’informatique quantique (Astuce, « doux » est un terme relatif). Mais si vous êtes comme la plupart d’entre nous et que vous n’avez pas cette formation, faisons de notre mieux pour démystifier l’un des sujets les plus mystiques de l’informatique.

Concepts d’informatique quantique

En quelques courts paragraphes, voici les bases que nous reviendrons plus en détail dans cet article : Les ordinateurs quantiques utilisent des qubits au lieu des traditionnels bits (chiffres binaires). Les qubits sont différents des bits traditionnels car jusqu’à ce qu’ils soient lus (c’est-à-dire mesurés), ils peuvent exister dans un état indéterminé où nous ne pouvons pas dire s’ils seront mesurés comme un 0 ou un 1. C’est à cause d’une propriété unique appelée superposition.

La superposition rend les qubits intéressants, mais leur véritable superpuissance est l’intrication. Les qubits intriqués peuvent interagir instantanément. Rendre fonctionnel qubits, les ordinateurs quantiques doivent être refroidis à un niveau proche du zéro absolu. Même en surfusion, les qubits ne conservent pas leur état intriqué (cohérence) très longtemps.

Cela rend leur programmation encore plus délicate. Les ordinateurs quantiques sont programmés à l’aide de séquences de portes logiques de différents types, mais les programmes doivent s’exécuter suffisamment rapidement pour que les qubits ne perdent pas leur cohérence avant d’être mesurés. Pour quiconque a suivi un cours de logique ou conçu des circuits numériques à l’aide de bascules, les portes logiques quantiques sembleront quelque peu familières, bien que les ordinateurs quantiques eux-mêmes soient essentiellement analogiques. Cependant, la combinaison de la superposition et de l’enchevêtrement rend le processus environ cent fois plus déroutant.

Qubits et superposition

Les bits ordinaires que nous utilisons dans les ordinateurs numériques typiques sont 0 ou 1. Vous pouvez les lire quand vous le souhaitez, et à moins qu’il y ait un défaut dans le matériel, ils ne changeront pas. Les Qubits ne sont pas comme ça. Ils ont une probabilité d’être 0 et une probabilité d’être 1, mais jusqu’à ce que vous les mesuriez, ils peuvent être dans un état indéfini. Cet état, ainsi que d’autres informations d’état qui permettent une complexité de calcul supplémentaire, peuvent être décrits comme étant à un point arbitraire sur une sphère (de rayon 1), qui reflète à la fois la probabilité d’être mesuré comme un 0 ou un 1 (qui sont les pôles nord et sud).

La sphère de Bloch est utilisée pour représenter les états possibles d'un seul qubit - Image Credit IBM QL’état du qubit est une combinaison des valeurs le long des trois axes. C’est ce qu’on appelle la superposition. Certains textes décrivent cette propriété comme « être dans tous les états possibles en même temps », tandis que d’autres pensent que c’est quelque peu trompeur et qu’il vaut mieux s’en tenir à l’explication de la probabilité. Quoi qu’il en soit, un ordinateur quantique peut en fait faire des calculs sur le qubit alors qu’il est en superposition – en modifiant les probabilités de différentes manières via des portes logiques – avant de finalement lire un résultat en le mesurant. Dans tous les cas, cependant, une fois qu’un qubit est lu, il vaut 1 ou 0 et perd ses autres informations d’état.

Les qubits commencent généralement leur vie à 0, bien qu’ils soient souvent ensuite déplacés vers un état indéterminé à l’aide d’une porte Hadamard, ce qui se traduit par un qubit qui se lira comme 0 la moitié du temps et 1 l’autre moitié. D’autres portes sont disponibles pour inverser l’état d’un qubit en faisant varier les quantités et les directions – à la fois par rapport aux axes 0 et 1, ainsi qu’un troisième axe qui représente la phase et offre des possibilités supplémentaires pour représenter les informations. Les opérations et les portes spécifiques disponibles dépendent de l’ordinateur quantique et de la boîte à outils que vous utilisez.

Enchevêtrement : là où se trouve l’action

Une porte C-NOT est un bloc de construction conditionnel de base pour les programmes quantiquesDes groupes de qubits indépendants, à eux seuls, ne suffisent pas à créer les percées massives promises par l’informatique quantique. La magie commence vraiment à se produire lorsque le concept d’intrication de la physique quantique est mis en œuvre. Un expert de l’industrie a comparé les qubits sans enchevêtrement à un « ordinateur classique très coûteux ». Les qubits enchevêtrés s’affectent instantanément lorsqu’ils sont mesurés, quelle que soit leur distance, sur la base de ce qu’Einstein appelait par euphémisme « l’action effrayante à distance ». En termes d’informatique classique, c’est un peu comme avoir une porte logique connectant chaque bit en mémoire à tous les autres bits.

Vous pouvez commencer à voir à quel point cela pourrait être puissant par rapport à un ordinateur traditionnel qui doit lire et écrire à partir de chaque élément de mémoire séparément avant de l’utiliser. En conséquence, il existe plusieurs gains potentiels importants de l’enchevêtrement. Le premier est une énorme augmentation de la complexité de la programmation qui peut être exécutée, au moins pour certains types de problèmes. La modélisation de molécules et de matériaux complexes, très difficiles à simuler avec des ordinateurs classiques, suscite beaucoup d’enthousiasme. Un autre pourrait être des innovations dans les communications sécurisées à longue distance – si et quand il devient possible de préserver l’état quantique sur de grandes distances. La programmation utilisant l’intrication commence généralement par la porte C-NOT, qui inverse l’état d’une particule intriquée si son partenaire est lu comme un 1. C’est un peu comme une porte XOR traditionnelle, sauf qu’elle ne fonctionne que lorsqu’une mesure est effectuée .

Les algorithmes quantiques vont changer la cryptographie

La superposition et l’intrication sont des phénomènes physiques impressionnants, mais les exploiter pour effectuer des calculs nécessite un état d’esprit et un modèle de programmation très différents. Vous ne pouvez pas simplement lancer votre code C sur un ordinateur quantique et vous attendre à ce qu’il s’exécute, et certainement pas plus vite. Heureusement, les mathématiciens et les physiciens ont ici une longueur d’avance sur les constructeurs d’ordinateurs, ayant développé des algorithmes intelligents qui tirent parti des ordinateurs quantiques des décennies avant l’apparition des machines.

Certains des premiers algorithmes quantiques créés, et honnêtement, certains des rares utiles que j’ai trouvés que vous pouvez comprendre sans diplôme d’études supérieures en mathématiques, sont destinés à la distribution sécurisée de clés cryptographiques. Ces algorithmes utilisent la propriété d’intrication pour permettre au créateur de la clé d’envoyer l’une de chacune des nombreuses paires de qubits au destinataire. La l’explication complète est assez longue, mais les algorithmes reposent sur le fait que si quelqu’un intercepte et lit l’un des bits intriqués en cours de route, le qubit compagnon de l’expéditeur sera affecté. En transmettant certaines statistiques dans les deux sens, l’expéditeur et le destinataire peuvent déterminer si la clé a été transmise de manière sécurisée ou a été piratée en cours de route.

Vous avez peut-être lu que les ordinateurs quantiques pourraient un jour casser la plupart des systèmes de cryptographie actuels. Ils pourront le faire car il existe des algorithmes très intelligents conçus pour fonctionner sur des ordinateurs quantiques qui peuvent résoudre un problème mathématique difficile, qui à son tour peut être utilisé pour factoriser de très grands nombres. L’un des plus célèbres est Algorithme de factorisation de Shor. La difficulté de factoriser de grands nombres est essentielle à la sécurité de tous les systèmes à clé publique-privée — qui sont les plus couramment utilisés aujourd’hui. Les ordinateurs quantiques actuels n’ont pas assez de qubits pour tenter la tâche, mais divers experts prédisent qu’ils le feront dans les 3 à 8 prochaines années. Cela conduit à des situations potentiellement dangereuses, comme si seuls les gouvernements et les super-riches avaient accès au cryptage ultra-sécurisé fourni par les ordinateurs quantiques.

Pourquoi construire des ordinateurs quantiques est difficile

Il y a de nombreuses raisons pour lesquelles les ordinateurs quantiques mettent du temps à se développer. Pour commencer, vous devez trouver un moyen d’isoler et de contrôler un objet physique qui implémente un qubit. Cela nécessite également de le refroidir à zéro (comme à 0,015 degrés Kelvin, dans le cas de IBMde Quantum One). Même à une température aussi basse, les qubits ne sont stables (en conservant leur cohérence) que pendant très peu de temps. Cela limite considérablement la flexibilité des programmeurs quant au nombre d’opérations qu’ils peuvent effectuer avant de devoir lire un résultat.

Non seulement les programmes doivent être limités, mais ils doivent être exécutés plusieurs fois, car les implémentations actuelles de qubit ont un taux d’erreur élevé. De plus, l’intrication n’est pas non plus facile à mettre en œuvre dans le matériel. Dans de nombreuses conceptions, seuls certains des qubits sont enchevêtrés, de sorte que le compilateur doit être suffisamment intelligent pour échanger des bits selon les besoins pour aider à simuler un système où tous les bits peuvent potentiellement être enchevêtrés.

Premiers pas avec l’informatique quantique

L'ordinateur quantique à 8 qubits de RigettiLa bonne nouvelle est que les programmes d’informatique quantique triviaux sont en fait assez faciles à comprendre, même s’ils sont un peu déroutants au début. De nombreux didacticiels sont disponibles pour vous aider à écrire votre premier programme quantique, ainsi que pour l’exécuter sur un simulateur, et peut-être même sur un véritable ordinateur quantique.

L’un des meilleurs endroits pour commencer est avec QISKit d’IBM, une boîte à outils quantique gratuite d’IBM Q Research qui comprend un compositeur visuel, un simulateur et l’accès à un véritable ordinateur quantique IBM une fois que votre code est exécuté sur le simulateur. Rigetti Quantum Computing a également publié un application d’introduction facilequi s’appuie sur leur boîte à outils et peut être exécuté sur leurs machines dans le cloud.

Malheureusement, les applications triviales ne sont que cela : triviales. Donc, simplement suivre le code de chaque exemple ne vous aide pas vraiment à maîtriser les subtilités d’algorithmes quantiques plus sophistiqués. C’est une tâche beaucoup plus difficile.

Merci à William Poole et Sue Gemmell pour leur contribution réfléchie.

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Crédit image du haut : IBM

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