Que sont les ordinateurs quantiques ?

Les ordinateurs quantiques ont le potentiel d’augmenter considérablement la variété et la précision des calculs, ouvrant ainsi la voie à de nouvelles applications informatiques et améliorant nos modèles de phénomènes physiques. Pourtant, même si les ordinateurs quantiques font l’objet d’une couverture médiatique croissante, nombreux sont ceux qui ne savent toujours pas en quoi les ordinateurs quantiques diffèrent des ordinateurs classiques. Examinons le fonctionnement des ordinateurs quantiques, certaines de leurs applications et leur avenir à venir.

Qu'est-ce qu'un ordinateur quantique ?

Avant de pouvoir examiner de manière significative comment les ordinateurs quantiques fonctionner, il faut d'abord définir ordinateurs quantiques. La définition courte d'un ordinateur quantique est la suivante : un ordinateur, basé sur la mécanique quantique, capable d'effectuer certains calculs complexes avec une efficacité bien supérieure à celle des ordinateurs traditionnels. C'est une définition rapide des ordinateurs quantiques, mais nous voudrons prendre un peu de temps pour vraiment comprendre ce qui sépare les ordinateurs quantiques des ordinateurs traditionnels.

Les ordinateurs ordinaires encodent les informations avec un système binaire : représentant chaque bit des données comme un un ou un zéro. Des séries de uns et de zéros sont enchaînées pour représenter des blocs complexes d'informations comme du texte, des images et de l'audio. Pourtant, dans ces systèmes binaires, les informations ne peuvent jamais être stockées que sous forme de uns et de zéros, ce qui signifie qu'il existe une limite stricte à la manière dont les données sont représentées et interprétées et que, à mesure que les données deviennent plus complexes, elles doivent nécessairement devenir des chaînes de un et de plus en plus longues. des zéros.

La raison pour laquelle les ordinateurs quantiques sont capables de stocker et d'interpréter plus efficacement les données est qu'ils n'utilisent pas de bits pour représenter les données, mais plutôt "qubits”. Les qubits sont des particules subatomiques comme les photons et les électrons. Les qubits ont quelques propriétés intéressantes qui les rendent utiles pour de nouvelles méthodes de calcul. Les Qubits ont deux propriétés dont les ingénieurs informaticiens peuvent tirer parti : superpositions et enchevêtrements.

Les superpositions quantiques permettent aux qubits d'exister non seulement dans l'état "un" ou dans l'état "zéro", mais le long d'un continuum entre ces états, ce qui signifie que davantage d'informations peuvent être conservées à l'aide de qubits. Pendant ce temps, l'intrication quantique fait référence à un phénomène où des paires de qubits peuvent être générées et si un qubit est modifié, l'autre qubit est également modifié, de manière prévisible. Ces propriétés quantiques peuvent être utilisées pour représenter et structurer des données complexes de manière plus efficace.

Comment fonctionnent les ordinateurs quantiques

Les «superpositions» quantiques tirent leur nom du fait qu'elles peuvent se trouver dans plusieurs positions à la fois. Alors que les bits ne peuvent être que dans deux positions, les qubits peuvent exister dans plusieurs états à la fois.

Grâce en partie à l'existence de superpositions quantiques, un ordinateur quantique est capable de calculer simultanément de nombreux résultats potentiels différents. Une fois les calculs effectués, les qubits sont mesurés, ce qui crée un résultat final par l'effondrement de l'état quantique à 0 ou 1, ce qui signifie que le résultat peut ensuite être interprété par des ordinateurs traditionnels.

Les chercheurs et ingénieurs en informatique quantique peuvent modifier la position des qubits en utilisant des micro-ondes ou des lasers de précision.

Les ingénieurs informaticiens peuvent tirer parti de l'intrication quantique pour améliorer considérablement la puissance de traitement des ordinateurs. L'intrication quantique fait référence au fait que deux qubits peuvent être reliés entre eux de telle sorte que la modification de l'un des qubits modifie l'autre qubit de manière fiable. On ne comprend pas entièrement pourquoi les qubits peuvent établir une telle relation ou comment ce phénomène fonctionne exactement, mais les scientifiques le comprennent suffisamment bien pour en tirer potentiellement parti pour les ordinateurs quantiques. En raison de l'intrication quantique, l'ajout de qubits supplémentaires à une machine quantique ne fait pas que doubler la puissance de traitement d'un ordinateur, il peut également faire évoluer la puissance de traitement de manière exponentielle.

Si tout cela vous a semblé un peu trop abstrait, on peut décrire l'utilité des superpositions en imaginant un labyrinthe. Pour qu'un ordinateur normal tente de résoudre un labyrinthe, il doit essayer chaque chemin du labyrinthe jusqu'à ce qu'il trouve un itinéraire réussi. Cependant, un ordinateur quantique pourrait essentiellement explorer tous les différents chemins à la fois, car il n'est lié à aucun état donné.

Tout cela pour dire que les propriétés d'intrication et de superposition rendent les ordinateurs quantiques utiles car ils peuvent gérer l'incertitude, ils sont capables d'explorer davantage d'états et de résultats possibles. Les ordinateurs quantiques aideront les scientifiques et les ingénieurs à mieux modéliser et comprendre des situations à multiples facettes, avec de nombreuses variables.

À quoi servent les ordinateurs quantiques ?

Maintenant que nous avons une meilleure intuition du fonctionnement des ordinateurs quantiques, explorons les possibilités cas d'utilisation des ordinateurs quantiques.

Nous avons déjà fait allusion au fait que les ordinateurs quantiques peuvent être utilisés pour effectuer des calculs traditionnels à un rythme beaucoup plus rapide. Cependant, la technologie informatique quantique peut être utilisée pour réaliser des choses qui ne sont peut-être même pas possibles, ou qui sont très peu pratiques, avec les ordinateurs traditionnels.

L'une des applications les plus prometteuses et les plus intéressantes des ordinateurs quantiques se situe dans le domaine de l'intelligence artificielle. Les ordinateurs quantiques ont le pouvoir d'améliorer les modèles créés par les réseaux de neurones, ainsi que les logiciels qui les prennent en charge. Google utilise actuellement ses ordinateurs quantiques pour aider à la création de véhicules autonomes.

Les ordinateurs quantiques ont également un rôle à jouer dans l'analyse de interactions et réactions chimiques. Même les ordinateurs normaux les plus avancés ne peuvent modéliser que des réactions entre des molécules relativement simples, ce qu'ils réalisent en simulant les propriétés des molécules en question. Les ordinateurs quantiques, cependant, permettent aux chercheurs de créer des modèles qui ont exactement les propriétés quantiques des molécules qu'ils recherchent. Une modélisation plus rapide et plus précise des molécules aiderait à la création de nouveaux médicaments thérapeutiques et de nouveaux matériaux à utiliser dans la création de technologies énergétiques, comme des panneaux solaires plus efficaces.

Les ordinateurs quantiques peuvent également être utilisés pour mieux prévoir la météo. La météo est la confluence de nombreux événements et les formules utilisées pour prédire les conditions météorologiques sont compliquées et contiennent de nombreuses variables. La réalisation de tous les calculs nécessaires à la prévision du temps peut prendre un temps extrêmement long, pendant lequel les conditions météorologiques elles-mêmes peuvent évoluer. Heureusement, les équations utilisées pour prédire le temps ont une nature ondulatoire qu'un ordinateur quantique peut exploiter. Les ordinateurs quantiques peuvent aider les chercheurs à construire des modèles climatiques plus précis, nécessaires dans un monde où le climat change.

Les ordinateurs et algorithmes quantiques peuvent également être utilisés pour aider à garantir la confidentialité des données des personnes. Cryptographie quantique utilise le principe d'incertitude quantique, où toute tentative de mesurer un objet finit par apporter des modifications à cet objet. Les tentatives d'interception des communications influenceraient la communication résultante et montreraient des preuves de falsification.

L'avenir de l'informatique quantique

La plupart des utilisations des ordinateurs quantiques seront confinées aux universitaires et aux entreprises. Il est peu probable que les consommateurs/le grand public obtiennent des smartphones quantiques, du moins pas de si tôt. En effet, il faut un équipement spécialisé pour faire fonctionner un ordinateur quantique. Les ordinateurs quantiques sont très sensibles aux perturbations, car même les changements les plus infimes dans l'environnement environnant peuvent entraîner le changement de position des qubits et la sortie de l'état de superposition. C'est ce qu'on appelle la décohérence, et c'est l'une des raisons pour lesquelles les progrès des ordinateurs quantiques semblent venir si lentement par rapport aux ordinateurs ordinaires. Les ordinateurs quantiques doivent généralement fonctionner dans des conditions de températures extrêmement basses, isolés des autres équipements électriques.

Même avec toutes les précautions, le bruit parvient toujours à créer des erreurs dans les calculs, et les chercheurs cherchent des moyens de rendre les qubits plus fiables. Pour atteindre la suprématie quantique, où un ordinateur quantique éclipse complètement la puissance d'un supercalculateur actuel, les qubits doivent être reliés entre eux. Un véritable ordinateur quantique suprême pourrait nécessiter des milliers de qubits, mais les meilleurs ordinateurs quantiques actuels peuvent ne traitent généralement qu'environ 50 qubits. Les chercheurs progressent constamment vers la création de qubits plus stables et plus fiables. Les experts dans le domaine des ordinateurs quantiques prédisent que des dispositifs quantiques puissants et fiables peut être ici dans une décennie.