Qu'est-ce que l'informatique quantique ?
L'informatique quantique est un domaine multidisciplinaire comprenant des aspects de l'informatique, de la physique et des mathématiques qui utilise la mécanique quantique pour résoudre des problèmes complexes plus rapidement que sur des ordinateurs classiques. Le domaine de l'informatique quantique comprend la recherche sur le matériel et le développement d'applications. Les ordinateurs quantiques sont capables de résoudre certains types de problèmes plus rapidement que les ordinateurs classiques en tirant parti des effets de la mécanique quantique comme la superposition et l'interférence quantique. Parmi les applications pour lesquelles les ordinateurs quantiques peuvent fournir un tel gain de vitesse figurent le machine learning (ML) l'optimisation et la simulation de systèmes physiques. Les cas d'utilisation éventuels pourraient être l'optimisation de portefeuilles dans le domaine financier ou la simulation de systèmes chimiques, ce qui permettrait de résoudre des problèmes actuellement impossibles à résoudre, même par les superordinateurs les plus puissants du marché.
Quel est l'avantage de l'informatique quantique ?
À l'heure actuelle, aucun ordinateur quantique ne peut effectuer une tâche utile plus rapidement, à coût moindre ou plus efficacement qu'un ordinateur classique. L'avantage quantique est le seuil à partir duquel nous avons créé un système quantique capable d'effectuer des opérations que le meilleur ordinateur classique possible ne peut simuler en un temps raisonnable.
Qu'est-ce que la mécanique quantique ?
La mécanique quantique est le domaine de la physique qui étudie le comportement des particules à un niveau microscopique. Aux niveaux subatomiques, les équations qui décrivent le comportement des particules sont différentes de celles qui décrivent le monde macroscopique qui nous entoure. Les ordinateurs quantiques tirent parti de ces comportements pour effectuer des calculs d'une manière totalement nouvelle.
Qu'est-ce qu'un qubit ?
Les bits quantiques, ou qubits, sont représentés par des particules quantiques. La manipulation des qubits par des dispositifs de contrôle est au cœur de la puissance de traitement d'un ordinateur quantique. Les qubits des ordinateurs quantiques sont analogues aux bits des ordinateurs classiques. À la base, le processeur d'une machine classique effectue tout son travail en manipulant des bits. De même, le processeur quantique effectue tout son travail en traitant des qubits.
En quoi les qubits sont-ils différents des bits classiques ?
En informatique classique, un bit est un signal électronique qui est soit activé, soit désactivé. La valeur du bit classique peut donc être un (allumé) ou zéro (éteint). Cependant, comme le qubit est basé sur les lois de la mécanique quantique, il peut être placé dans une superposition d'états.
Quels sont les principes de l'informatique quantique ?
Un ordinateur quantique fonctionne selon les principes quantiques. Les principes quantiques nécessitent un nouveau dictionnaire de termes pour une meilleure compréhension, des termes tels que superposition, intrication et décohérence. Découvrons ces principes ci-dessous.
Superposition
La superposition stipule que, tout comme les ondes en physique classique, vous pouvez additionner deux ou plusieurs états quantiques et le résultat sera un autre état quantique valide. Inversement, vous pouvez également représenter chaque état quantique comme une somme de deux ou plusieurs autres états distincts. Cette superposition de qubits confère aux ordinateurs quantiques leur parallélisme intrinsèque, qui leur permet de traiter des millions d'opérations simultanément.
Intrication
L'intrication quantique se produit lorsque deux systèmes sont si étroitement liés que la connaissance de l'un permet de connaître immédiatement l'autre, quelle que soit leur éloignement. Les processeurs quantiques peuvent émettre des conclusions sur une particule en mesurant une autre. Par exemple, ils peuvent déterminer que si un qubit pivote vers le haut, l'autre pivote toujours vers le bas, et vice versa. L'intrication quantique permet aux ordinateurs quantiques de résoudre plus rapidement des problèmes complexes.
Lorsqu'un état quantique est mesuré, la fonction d'onde s'effondre et vous mesurez l'état comme un zéro ou un. Dans cet état connu ou déterministe, le qubit se comporte comme un bit classique. L'intrication est la capacité des qubits à corréler leur état avec d'autres qubits.
Décohérence
La décohérence est la perte de l'état quantique d'un qubit. Des facteurs environnementaux, comme les radiations, peuvent provoquer l'effondrement de l'état quantique des qubits. L'un des grands défis de l'ingénierie dans la fabrication d'un ordinateur quantique est de concevoir les diverses caractéristiques qui tentent de retarder la décohérence de l'état, par exemple en créant des structures spécialisées qui protègent les qubits des champs externes.
Quels sont les composants d'un ordinateur quantique ?
Les ordinateurs quantiques possèdent un matériel et un logiciel similaires à ceux d'un ordinateur classique.
Matériel quantique
Le matériel quantique comporte trois composants principaux.
Le plan de données quantique
Le plan de données quantique est le cœur de l'ordinateur quantique et comprend les qubits physiques et les structures nécessaires pour les maintenir en place.
Plan de contrôle et de mesure
Le plan de contrôle et de mesure convertit les signaux numériques en signaux de contrôle analogiques ou ondulatoires. Ces signaux analogiques effectuent les opérations sur les qubits dans le plan de données quantiques.
Plan du processeur de contrôle et processeur hôte
Le plan du processeur de contrôle met en œuvre l'algorithme quantique ou la séquence d'opérations. Le processeur hôte interagit avec le logiciel quantique et fournit un signal numérique ou une séquence de bits classiques au plan de contrôle et de mesure.
Logiciel quantique
Les logiciels quantiques mettent en œuvre des algorithmes quantiques uniques à l'aide de circuits quantiques. Un circuit quantique est une routine de calcul qui définit une série d'opérations quantiques logiques sur les qubits sous-jacents. Les développeurs peuvent utiliser divers outils et bibliothèques de développement de logiciels pour coder des algorithmes quantiques.
Quels sont les types de technologie quantique ?
Personne n'a démontré la meilleure façon de créer un ordinateur quantique tolérant aux pannes, et de nombreuses entreprises et groupes de recherche étudient différents types de qubits. Vous trouverez ci-dessous un bref exemple de certaines de ces technologies de qubits.
Processeurs à piège à ions basés sur des portes
Un ordinateur quantique basé sur une porte est un dispositif qui prend des données d'entrée et les transforme selon une opération unitaire prédéfinie. L'opération est généralement représentée par un circuit quantique et est analogue aux opérations de porte dans l'électronique traditionnelle. Cependant, les portes quantiques sont totalement différentes des portes électroniques.
Les ordinateurs quantiques à piège à ions implémentent des qubits grâce aux états électroniques d'atomes chargés appelés ions. Les ions sont confinés et suspendus au-dessus du piège microfabriqué à l'aide de champs électromagnétiques. Les systèmes basés sur les ions piégés appliquent des portes quantiques utilisant des lasers pour manipuler l'état électronique de l'ion. Les qubits à ions piégés utilisent des atomes qui proviennent de la nature, plutôt que de fabriquer les qubits de manière synthétique.
Processeurs superconducteurs basés sur les portes
La supraconductivité est un ensemble de propriétés physiques que l'on peut observer dans certains matériaux comme le mercure et l'hélium à très basse température. Ces matériaux présentent une température critique caractéristique en dessous de laquelle la résistance électrique est nulle et les champs de flux magnétiques sont expulsés. Un courant électrique passant par une boucle de fil supraconducteur peut persister indéfiniment sans source d'énergie.
L'informatique quantique supraconductrice est une mise en œuvre d'un ordinateur quantique dans des circuits électroniques supraconducteurs. Les qubits supraconducteurs sont créés avec des circuits électriques supraconducteurs qui fonctionnent à des températures cryogéniques.
Processeurs photoniques
Un processeur photonique quantique est un dispositif qui manipule la lumière pour effectuer des calculs. Les ordinateurs quantiques photoniques utilisent des sources de lumière quantique qui émettent des impulsions de lumière comprimée, avec des qubits équivalents qui correspondent aux modes d'un opérateur continu comme la position ou la quantité de mouvement.
Processeurs à atomes neutres
La technologie des qubits à atomes neutres est similaire à celle des ions piégés. Cependant, elle utilise la lumière au lieu des forces électromagnétiques pour piéger le qubit et le maintenir en position. Les atomes ne sont pas chargés et les circuits peuvent fonctionner à température ambiante
Processeurs à atomes de Rydberg
Un atome de Rydberg est un atome excité dont un ou plusieurs électrons sont plus éloignés du noyau, en moyenne. Les atomes de Rydberg ont un certain nombre de propriétés particulières, notamment une réponse exagérée aux champs électriques et magnétiques, et une longue durée de vie. Lorsqu'ils sont utilisés comme qubits, ils offrent des interactions atomiques fortes et contrôlables que vous pouvez régler en sélectionnant différents états.
Recuits quantiques
Le recuit quantique utilise un processus physique pour placer les qubits d'un système quantique dans un minimum énergétique absolu. À partir de là, le matériel modifie doucement la configuration du système afin que son paysage énergétique reflète le problème à résoudre. L'avantage des recuits quantiques est que le nombre de qubits peut être beaucoup plus important que celui disponible dans un système basé sur des portes. Toutefois, leur utilisation est limitée à des cas spécifiques.
Comment les entreprises utilisent-elles l'informatique quantique ?
L'informatique quantique peut révolutionner les industries. Vous trouverez ci-dessous quelques exemples de cas d'utilisation :
ML
Le machine learning (ML) est le processus d'analyse de grandes quantités de données pour aider les ordinateurs à faire de meilleures prédictions et prendre de meilleures décisions. La recherche en informatique quantique étudie les limites physiques du traitement de l'information et innove en matière de physique fondamentale. Cette recherche conduit à des avancées dans de nombreux domaines scientifiques et industriels comme la chimie, l'optimisation et la simulation moléculaire. En outre, les services financiers s'y intéressent de plus en plus pour prédire les mouvements du marché et l'industrie manufacturière pour améliorer ses opérations.
Optimisation
L'informatique quantique peut améliorer la recherche et le développement, l'optimisation de la chaîne logistique et la production. Par exemple, vous pourriez appliquer l'informatique quantique pour réduire les coûts liés aux processus de fabrication et raccourcir les temps de cycle en optimisant des éléments tels que la planification des parcours dans des processus complexes. Une autre application est l'optimisation quantique des portefeuilles de prêts afin que les prêteurs puissent mobiliser des capitaux, réduire les taux d'intérêt et améliorer leurs offres.
Simulation
L'effort de calcul nécessaire pour simuler des systèmes avec précision augmente de façon exponentielle avec la complexité des molécules et des matériaux. Même en utilisant des méthodes d'approximation, les superordinateurs actuels ne peuvent pas atteindre le niveau de précision que ces simulations exigent. L'informatique quantique a le potentiel de résoudre certains des problèmes de calcul les plus difficiles rencontrés en chimie, permettant à la communauté scientifique de réaliser des simulations chimiques qui sont aujourd'hui irréalisables. Par exemple, Pasqal a créé son logiciel de calcul QUBEC pour exécuter des simulations chimiques. QUBEC automatise les tâches exigeantes nécessaires à l'exécution de calculs quantiques, de l'approvisionnement automatique de l'infrastructure de calcul à l'exécution de calculs classiques de pré-traitement et post-traitement et à l'exécution de tâches d'atténuation des erreurs.
Comment se lancer dans l'informatique quantique ?
Si vous voulez essayer l'informatique quantique, vous pouvez commencer avec un émulateur de matériel quantique sur votre machine locale. Les émulateurs sont des logiciels ordinaires qui imitent le comportement quantique sur un ordinateur classique. Ils sont prévisibles et vous permettent de voir les états quantiques. Ils sont utiles si vous souhaitez tester vos algorithmes avant d'investir dans du temps de matériel quantique. Cependant, ils ne peuvent pas recréer le véritable comportement quantique.
Vous pouvez également utiliser un service cloud de calcul quantique pour coder sur un véritable ordinateur quantique sans investir dans du matériel coûteux.
Comment AWS peut-il vous aider en matière d'informatique quantique ?
Amazon Braket est un service d'informatique quantique entièrement géré. Il est conçu pour aider à accélérer la recherche scientifique et le développement de logiciels pour l'informatique quantique. Vous pouvez utiliser Amazon Braket pour effectuer ces tâches :
- Travailler avec différents types d'ordinateurs quantiques et de simulateurs de circuits en utilisant un ensemble cohérent d'outils de développement.
- Créer des projets quantiques sur un cloud de confiance avec des contrôles de tarification et de gestion simples pour les technologies quantiques et classiques.
- Innovez rapidement grâce aux conseils d'un expert et à un support technique, ou bien collaborez avec des consultants d'Amazon Quantum Solutions Lab.
- Repousser les frontières de la recherche en matériel quantique grâce à un accès aux dispositifs à ions piégés, superconducteurs, photoniques et à recuit.
Lancez-vous dans l'informatique quantique en créant un compte AWS dès aujourd'hui.
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