Qu’est-ce qu’un ordinateur quantique ?

Les ordinateurs quantiques ont le potentiel de dramatiquement augmenter la variété et la précision des calculs, ouvrant de nouvelles applications pour les ordinateurs et améliorant nos modèles de phénomènes physiques. Pourtant, alors que les ordinateurs quantiques reçoivent une couverture médiatique croissante, beaucoup ne sont toujours pas sûrs de la façon dont les ordinateurs quantiques diffèrent des ordinateurs classiques. Examinons comment les ordinateurs quantiques fonctionnent, 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 fonctionnent, nous devons d’abord définir les ordinateurs quantiques. La définition courte d’un ordinateur quantique est la suivante : un ordinateur, basé sur la mécanique quantique, capable de réaliser certains calculs complexes avec une grande efficacité par rapport aux ordinateurs classiques. C’est une définition rapide des ordinateurs quantiques, mais nous allons prendre le temps de vraiment comprendre ce qui sépare les ordinateurs quantiques des ordinateurs classiques.

Les ordinateurs classiques codent l’information avec un système binaire : représentant chaque bit de données comme un 0 ou un 1. Des séries de 0 et de 1 sont enchaînées pour représenter des informations complexes comme du texte, des images et de l’audio. Cependant, dans ces systèmes binaires, les informations ne peuvent être stockées que sous forme de 0 et de 1, ce qui signifie qu’il y a une limite stricte à la façon dont les données sont représentées et interprétées et que, à mesure que les données deviennent plus complexes, elles doivent nécessairement devenir des chaînes de plus en plus longues de 0 et de 1.

La raison pour laquelle les ordinateurs quantiques sont capables de stocker et d’interpréter les données de manière plus efficace est qu’ils n’utilisent pas de bits pour représenter les données, mais plutôt des « 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 que les ingénieurs en informatique peuvent exploiter : les superpositions et l’intrication.

Les superpositions quantiques permettent aux qubits d’exister non seulement dans l’état « 0 » ou « 1 », mais le long d’un continuum entre ces états, ce qui signifie que plus d’informations peuvent être stockées en utilisant des qubits. Pendant ce temps, l’intrication quantique fait référence à un phénomène dans lequel des paires de qubits peuvent être générées et, si un qubit est modifié, l’autre qubit est modifié de manière prévisible. Ces propriétés quantiques peuvent être utilisées pour représenter et structurer des données complexes de manière plus efficace.

Comment les ordinateurs quantiques fonctionnent-ils ?

Les « superpositions » quantiques tirent leur nom du fait qu’elles peuvent exister dans plus d’une position 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 de nombreux résultats potentiels en même temps. 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 alors être interprété par des ordinateurs classiques.

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

Les ingénieurs en informatique peuvent exploiter l’intrication quantique pour améliorer considérablement la puissance de calcul des ordinateurs. L’intrication quantique fait référence au fait que deux qubits peuvent être liés de telle sorte que la modification d’un qubit modifie l’autre qubit de manière fiable. Il n’est pas pleinement compris pourquoi les qubits peuvent établir une telle relation ou comment ce phénomène fonctionne exactement, mais les scientifiques comprennent suffisamment bien pour potentiellement en tirer parti pour les ordinateurs quantiques. En raison de l’intrication quantique, l’ajout de qubits supplémentaires à une machine quantique ne double pas seulement la puissance de calcul de l’ordinateur, mais peut la faire augmenter de manière exponentielle.

Si tout cela semble un peu abstrait, nous pouvons décrire comment les superpositions sont utiles en imaginant un labyrinthe. Pour qu’un ordinateur classique tente de résoudre un labyrinthe, il doit essayer chaque chemin du labyrinthe jusqu’à ce qu’il trouve une voie réussie. Cependant, un ordinateur quantique pourrait essentiellement explorer tous les chemins différents en même temps, puisqu’il n’est pas limité à un état donné.

Tout cela signifie que les propriétés d’intrication et de superposition rendent les ordinateurs quantiques utiles car ils peuvent traiter l’incertitude, ils sont capables d’explorer plus d’états et de résultats possibles. Les ordinateurs quantiques aideront les scientifiques et les ingénieurs à mieux modéliser et comprendre les situations qui sont multifacettes, avec de nombreuses variables.

Pour quoi les ordinateurs quantiques sont-ils utilisés ?

Maintenant que nous avons une meilleure intuition de la façon dont les ordinateurs quantiques fonctionnent, explorons les cas d’utilisation possibles pour les ordinateurs quantiques.

Nous avons déjà évoqué le fait que les ordinateurs quantiques peuvent être utilisés pour effectuer des calculs classiques à un rythme beaucoup plus rapide. Cependant, la technologie des ordinateurs quantiques peut être utilisée pour réaliser des choses qui peuvent ne pas être possibles, ou sont très impraticables, avec des ordinateurs classiques.

L’une des applications les plus prometteuses et les plus intéressantes des ordinateurs quantiques est 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 soutiennent. Google (GOOGL ) 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 des interactions et réactions chimiques. Même les ordinateurs classiques les plus avancés ne peuvent modéliser les réactions qu’entre des molécules relativement simples, ce qu’ils font en simulant les propriétés des molécules en question. Les ordinateurs quantiques, cependant, permettent aux chercheurs de créer des modèles qui ont les mêmes propriétés quantiques que les molécules qu’ils étudient. Une modélisation moléculaire plus rapide et plus précise aiderait à la création de nouveaux médicaments thérapeutiques et de nouveaux matériaux pour l’énergie, tels que des panneaux solaires plus efficaces.

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

Les ordinateurs quantiques et les algorithmes peuvent également être utilisés pour aider à assurer la confidentialité des données des personnes. La cryptographie quantique utilise le principe d’incertitude quantique, où toute tentative de mesurer un objet se traduit par des changements dans cet objet. Les tentatives d’interception des communications influenceraient la communication résultante et montreraient des preuves de falsification.

Quel est 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 ou le grand public aient des smartphones quantiques, du moins pas dans un avenir proche. En effet, il faut un équipement spécialisé pour exploiter un ordinateur quantique. Les ordinateurs quantiques sont très sensibles aux perturbations, car même les changements les plus minimes dans l’environnement peuvent causer des qubits à changer de position et à sortir de l’état de superposition. C’est ce qu’on appelle la décohérence, et c’est l’une des raisons pour lesquelles les progrès dans les ordinateurs quantiques semblent arriver si lentement par rapport aux ordinateurs classiques. Les ordinateurs quantiques ont généralement besoin de fonctionner dans des conditions de basses températures, isolés d’autres équipements électriques.

Même avec toutes les précautions, le bruit parvient encore 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 liés ensemble. Un ordinateur quantique vraiment suprême pourrait nécessiter des milliers de qubits, mais les meilleurs ordinateurs quantiques d’aujourd’hui peuvent typiquement ne traiter qu’environ 50 qubits. Les chercheurs font constamment des progrès pour créer des qubits plus stables et plus fiables. Les experts dans le domaine des ordinateurs quantiques prévoient que des appareils quantiques puissants et fiables pourraient être disponibles dans une décennie.