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Voici tout ce que vous devez savoir sur les ordinateurs quantiques

Voici tout ce que vous devez savoir sur les ordinateurs quantiques

Les ordinateurs quantiques nous offrent une vision alléchante de notre avenir. Ils fourniront à l'avenir un calcul haute performance et remplaceront peut-être même les ordinateurs classiques. Malgré la promesse, ils ne sont ni largement disponibles ni en fait utiles pour le moment. Plongeons-nous dans l'avenir «effrayant» de l'informatique, peut-être.

Dans l'article suivant, nous explorerons ce qu'ils sont, un peu de leur histoire, des applications potentielles et bien sûr, nous aborderons leurs dons potentiels. Une évaluation complète de ce domaine sort clairement du cadre du texte suivant, mais jetons un bref coup d'œil à cette technologie potentiellement révolutionnaire.

Je suis la loi "da"

En 1947, une prédiction audacieuse a été faite par Howard Aiken. Il a déclaré que "seulement six ordinateurs numériques électroniques satisferaient les besoins informatiques des États-Unis". Avancez soixante-dix ans et nous pouvons voir, clairement, c'était un peu un euphémisme. Notre soif de connaissances et de vitesse de traitement a clairement dépassé cette estimation modeste. Aiken n'aurait jamais pu prédire la quantité de traitement de données nécessaire dans le monde moderne. De l'avènement d'Internet, des jeux et bien sûr de l'avènement des réseaux sociaux, on peut pardonner une estimation aussi basse.

La loi de Moore stipule, nous paraphrasons, que le nombre de transistors (ou de puissance) sur les microprocesseurs doublera chaque fois 18 mois et les microprocesseurs entre 2020 et 2030 trouveront des circuits sur un microprocesseur qui seront mesurés à l'échelle atomique. Sainte vache! De toute évidence, cela nous obligera à faire un véritable saut quantique dans la technologie. Logiquement, cela nécessitera des ordinateurs quantiques exploitant la «puissance» quantique des atomes et des molécules pour effectuer des tâches de traitement et de mémoire.

Les ordinateurs quantiques fourniraient potentiellement la puissance de calcul améliorée nécessaire qui surpasserait largement les ordinateurs actuels à base de silicium. Ça sonne bien non? Tenez vos chevaux là "mec", si seulement tout était aussi simple. Les ordinateurs quantiques ne sont peut-être pas la panacée à laquelle nous sommes amenés à croire.

[Source de l'image: Pixabay]

Ordinateurs quantiques: que sont-ils?

Vous avez probablement déjà une idée sur ces appareils mais commençons par une définition: -

"Un ordinateur qui utilise les états quantiques des particules subatomiques pour stocker des informations." - Dictionnaire anglais Oxford

Eh bien, cela nous dit tout ce que nous devons savoir, non? Génial, vous pouvez ignorer le reste de l'article.

Toujours là? Tant mieux pour vous, pour ceux d'entre nous avec un esprit plus curieux, creusons un peu plus ...

Des ordinateurs quantiques de base ont déjà été construits pour effectuer des calculs de base. Des exemples concrets réels sont, malheureusement, dans des années. Les origines de ces machines mystiques remontent à la majeure partie du 20e siècle. Les ordinateurs quantiques ont été théorisés pour la première fois il y a environ 30 ans par Paul Benioff du Laboratoire national d'Argonne. Il a d'abord théorisé la théorie quantique appliquée aux ordinateurs en 1981. Il a suggéré que nous pourrions créer une machine de Turing fonctionnant à l'échelle quantique. En fait, l'appareil informatique que vous utilisez actuellement est basé sur la machine de Turing!

[Source de l'image: Wikimedia Commons]

Turing vous magnifique (insérer un juron)

Alan Turing a développé sa célèbre machine dans les années 30. C'était (est) un dispositif théorique qui consiste en une bande interminable divisée en portions ou carrés discrets. Chaque segment contenait une valeur de 1 ou 0, ou bien sûr était laissé vide. La bande est lue par un appareil qui traduit le «code» pour fournir un ensemble d'instructions. Nous savons cela aujourd'hui comme binaire. C'est, en quelque sorte, nous vendre à découvert, enfin en théorie.

Dans une "mise à niveau" quantique de ce dispositif, la "bande" existe dans un état quantique, tout comme le dispositif de lecture. Cela signifie que la machine peut lire soit les valeurs 1 ou 0, soit une superposition de 1 et 0. Superposition vous dites? Eh bien, mon ami, cela signifie simplement que vous pouvez lire 1 ou 0 ou n'importe quel point entre les deux ou les deux. Oh et en même temps "pour démarrer"!

En raison du phénomène selon lequel un ordinateur quantique peut contenir plusieurs états simultanément, ils ont le potentiel d'être des ordres de grandeur plus puissants que les ordinateurs conventionnels.

Comment fonctionnent les ordinateurs quantiques

L'informatique quantique est, en substance, le fait que dans le domaine quantique, les choses ne sont pas aussi claires que ce à quoi on pourrait s'attendre dans notre monde macroscopique. Les particules subatomiques comme les électrons et les photons peuvent exister simultanément dans des états que nous considérerions normalement mutuellement exclusifs. Ils peuvent, en effet, être à plusieurs endroits à la fois. Dans le cas des photons, par exemple, ils pourraient présenter deux types de polarisation. Dans notre vie de tous les jours, nous n'observons jamais ce genre de superposition en raison des phénomènes décrits par Erwin Schrödinger et de son habitude sadique de mettre les chats dans des boîtes. Bad Schrödinger!

L'élimination étrange et encore inexpliquée de la superposition une fois que vous observez le système, par exemple, lorsque vous essayez de mesurer l'emplacement d'un électron, offre un potentiel fantastique pour le calcul. La superposition nous libère effectivement des contraintes binaires. Les ordinateurs quantiques, du moins en théorie, profitent de la superposition.

Vous pourriez penser que cela pourrait être réalisé avec la physique traditionnelle, même en utilisant deux bits ordinaires simultanément. Si tel était le cas, les ordinateurs quantiques ne sont pas si impressionnants, non? Dans un système avec plus d'un qubit, vous devez vous rappeler que chaque composant individuel n'est pas réellement indépendant du suivant. Ils sont, en fait, enchevêtrés. Lorsque vous mesurez ou observez l'un des deux qubits intriqués, vous obtenez une valeur. Mais ... vous aussi, vous obtenez simultanément la valeur de l'autre. Les particules n'ont même pas besoin d'être au même endroit. Einstein a jadis appelé l'intrication "une action effrayante à distance". La vidéo suivante de Veritasium nous donne un bon aperçu des ordinateurs quantiques, profitez-en.

Construire la machine

Construire un ordinateur quantique ne sera pas une tâche facile. Bien que la construction de bits traditionnels dans des ordinateurs classiques soit une seconde nature pour nous maintenant, produire des qubits est loin d'être facile.

Nous ne savons pas encore quelle est la meilleure façon de faire un qubit. Les techniques varient de piéger des ions, des électrons ou d'autres particules subatomiques. D'autres proposent l'utilisation de supraconducteurs pour réaliser des circuits quantiques microscopiques. D'autres ont suggéré d'utiliser des photons et des appareils optiques complexes pour produire le «matériel» requis.

Quelle que soit la voie que nous empruntons, ou même une combinaison des trois, ils partagent tous quelque chose de très important. Ils sont tous actuellement plausibles à petite échelle mais difficiles à réaliser à grande échelle. Jusqu'à ce que ce problème soit résolu, les ordinateurs quantiques sont actuellement limités.

Le principal obstacle à surmonter est ce qu'on appelle la décohérence quantique. Les systèmes quantiques devront, par essence, être isolés du reste du monde qui l'entoure pour fonctionner. Toute interaction minuscule entraînera la décohésion du système entier et son effondrement à un état binaire. Ce n'est pas seulement limité au système principal mais aussi à ses gubbins. Les portes quantiques, les spins nucléaires des qubits et les vibrations du réseau, par exemple, peuvent également introduire des effets de décohérence. Ah mec, alors comment pourrions-nous résoudre ça? Eh bien, nous pourrions décider d'un taux d'erreur acceptable, ou plutôt de la quantité de décohérence avec laquelle nous sommes heureux de "vivre". Puis concevez le reste à partir de là.

Bien que ce ne soit pas une solution parfaite, même avec un faible taux d'erreur, nous bénéficions toujours du plus grand avantage de l'ordinateur quantique. C'est un compromis.

Démêler l'enchevêtrement

L'enchevêtrement signifie que vous ne pouvez pas simplement enchaîner les descriptions des qubits individuels. Vous devez décrire toutes les corrélations entre eux. À mesure que vous augmentez le nombre de qubits, les corrélations relatives augmentent de façon exponentielle. Pour n nombre de qubits, les corrélations croissent de façon exponentielle. Cela signifie qu'il "explose" rapidement. Si vous vouliez décrire un système de seulement 300 qubits, vous atteindrez un certain nombre de corrélations possibles qui dépassent le nombre d'atomes dans l'univers visible connu! Sainte vache.

Pouvez-vous imaginer un certain nombre de possibilités aussi grandes? Vous ne pouviez tout simplement pas vous contenter de «noter» les informations contenues dans un tel système en utilisant des bits classiques. Un ordinateur fonctionnant sur des qubits pourrait effectuer des tâches qu'un ordinateur numérique classique ne pourrait probablement jamais espérer accomplir. Le potentiel est énorme et passionnant.

Cela semble fantastique, non? Il y a cependant un problème. Tout "lecteur" ou algorithme prendrait des données de qubits superposés en entrée. Mais la sortie serait également dans un état quantique. Ces informations changeront également lorsque vous tenterez de les observer! «La nature fait un truc ici», déclare Richard Jozsa, pionnier de l'informatique quantique à l'Université de Cambridge.

"Elle met à jour un état quantique, mais ensuite elle ne vous permet pas d'obtenir toutes les informations."

La solution de l'informatique quantique est de fournir des méthodes permettant d'obtenir autant d'informations que possible de l'inobservable.

Mener par l'exemple

Tout appareil de calcul s'appuie sur des algorithmes pour effectuer des calculs et suivre des programmes. Richard Jozsa et David Deutsch ont développé un exemple d'algorithme pour les ordinateurs quantiques. Sa tâche est un peu étrange mais soyez indulgents avec nous. Pour aider à expliquer, imaginons une file de personnes attendant d'entrer dans une porte avec une capacité limitée. Surveiller l'entrée est un garde de sécurité costaud qui permettra votre entrée simplement en fonction de votre bracelet pré-attribué. Chaque bracelet a des chaînes de trois 0 ou 1.

Il y a 8 personnes dans la file d'attente ou deux à la puissance de 3. Chacun des "invités" a une chaîne unique de 0 et de 1 sur leurs bracelets respectifs. Le garde enregistre ses décisions en attribuant un 1 à une chaîne de bits particulière s'il décide de laisser entrer quelqu'un ou un 0 s'il ne le fait pas. C'est ce qu'on appelle une fonction booléenne, qui est une règle qui attribue un 0 ou 1 à une chaîne de bits. Ils sont la base de l'informatique.

Nous ne savons pas ce que le gardien décidera pour chaque personne, mais nous savons qu'il est mis à sa manière. Soit il laissera tout le monde entrer, soit il laissera entrer exactement la moitié des gens. Votre tâche n'est pas de trouver ce qui arrive à chaque personne mais si le gardien est de bonne humeur et laisse tout le monde entrer ou seulement la moitié d'entre eux. Alors, combien de valeurs de la fonction booléenne du garde devons-nous rechercher pour trouver dans quelle humeur se trouve le garde?

Continuez à chercher

Un ordinateur classique aurait besoin de regarder les bracelets au moins cinq fois pour se faire une idée de la décision finale. Même si vous avez regardé les quatre premiers bracelets et qu'ils avaient un 1 sur eux, vous ne pouvez pas être sûr que cela ne représente que la moitié ou la totalité des personnes qui attendent. Vous aurez donc besoin d'une cinquième valeur de bracelet. Avec un ordinateur quantique, vous pouvez rechercher les valeurs des huit simultanément et n'avez besoin que d'une seule fonction de recherche.

"Pour le coût de l'exécution du programme une fois avec cette entrée de superposition amusante, vous avez en quelque sorte calculé toutes les [valeurs à la fois]", explique Jozsa.

L'avantage des ordinateurs quantiques par rapport aux ordinateurs classiques est encore plus évident lorsqu'il y a de plus en plus de personnes dans notre exemple ci-dessus. Avec une ligne de 2n les individus et un ordinateur classique auraient besoin de 2n-1+1 fois. Cela augmenterait de façon exponentielle, comme vous pouvez l'imaginer. Un ordinateur quantique n'a besoin de le faire qu'une seule fois.

Comme mentionné précédemment, il existe un problème que nous devons résoudre avec les ordinateurs quantiques et notre scénario ci-dessus. Vos huit valeurs recherchées simultanément seront codées dans un état quantique que nous ne pouvons pas lire directement. Toute mesure des valeurs les perturberait. Heureusement pour nous, nous n'essayons pas de savoir ce qui arrivera à chaque individu. Il suffit de savoir si le gardien est de bonne ou de mauvaise humeur.

"Ce n'est qu'une question oui-non", explique Jozsa. "C'est une petite quantité d'informations sur un grand nombre de valeurs."

[Source de l'image: Pixabay]

Château de cartes

Jozsa et Deutsch nous montrent qu'il existe une possibilité d'effectuer une opération supplémentaire sur nos données d'état quantique. Une étape qui taquine la simple information que nous recherchons aux bons endroits où nous pouvons les lire. C'est un peu comme un château de cartes qui s'effondrera dès que vous le regarderez. Nous ne pouvons jamais le voir dans toute sa splendeur, mais, s'il était construit de la bonne manière, nous pourrions le reconstruire à partir du tas effondré.

Même de simples modèles ou structures dans des systèmes de composants multiples d'un ordinateur classique n'ont souvent d'autre choix que d'évaluer tous, voire plusieurs, des composants individuellement. Un ordinateur quantique ne le fait pas, il peut tous les évaluer en même temps. Bien que vous ne puissiez pas lire toutes les valeurs individuellement, vous pouvez extraire suffisamment d'informations pour avoir une vue d'ensemble.

Jozsa et Deutsch ont développé cet algorithme en 1992. C'était le premier qui pouvait être prouvé pour fonctionner beaucoup plus rapidement que n'importe quel algorithme précédent conçu pour la même tâche. Plus intéressant encore, ces deux messieurs ne sont pas des ingénieurs quantiques travaillant dans un laboratoire, mais des théoriciens. Leur travail a combiné le formalisme mathématique pour la mécanique quantique et le calcul théorique pour découvrir ce qu'ils peuvent tous deux réaliser. Ceci est actuellement purement théorique car nous n'avons pas encore construit une machine à part entière.

Les ordinateurs quantiques remplaceront-ils les ordinateurs classiques?

Malgré tout le battage médiatique et l'huile de coude mentale appliqués à cette technologie, tout cela peut être infructueux à la fin. Nous ne pourrons peut-être pas dire si les résultats des calculs de l'ordinateur quantique produisent même la bonne réponse. Hein? Comment?

Les ordinateurs quantiques pourraient effectuer des calculs en jours ou en heures qui prendraient des milliers d'années à un ordinateur ordinaire. Certaines réponses qu'il produit seront vérifiables, par exemple, une clé cryptographique compliquée pourrait être vérifiée en l'utilisant (par exemple, chiffrer et déchiffrer un message). Mais d'autres pourraient bien devoir être pris «sur la foi». En substance, les ordinateurs quantiques sont susceptibles d'être utilisés pour des problèmes complexes que nous ne pourrons tout simplement pas avoir de méthode de confirmation. Comment vérifierions-nous les calculs et les résultats?

[Source de l'image: Pixabay]

Vérification des résultats

Les scientifiques de l'Université de Vienne ont cependant le dos aux ordinateurs quantiques. Ils ont développé une technique appelée «calcul quantique aveugle» qui pourrait être utile. C'est assez simple et implique des pièges mathématiques qui sont des étapes intermédiaires dans le calcul, qui peuvent être prédites avant d'exécuter le calcul. Si ces pièges prédits ne correspondent pas au résultat réel à ce stade, alors il y a quelque chose qui ne va pas avec l'ensemble du processus. Ainsi, au lieu de vérifier l'ensemble du processus, nous l '«échantillonnons» simplement à certains moments. Un peu comme le contrôle qualité dans une ligne de production.

Cette équipe a démontré que la technique peut fonctionner, au moins, à petite échelle en utilisant des systèmes à quatre qubits. Ces unités plus petites peuvent être utilisées pour vérifier des ordinateurs secondaires ou principaux plus grands. L'équipe affirme également que ceux-ci peuvent être évolutifs et pourraient être utilisés sur des ordinateurs avec des centaines de qubits. Il y a cependant un hic: -

«Comme presque toutes les expériences actuelles d'informatique quantique, cela a actuellement le statut d'une démonstration de démonstration amusante de concept, plutôt que de tout ce qui est encore directement utile», a expliqué Scott Aaronson du Massachusetts Institute of Technology.

Est-ce que c'est allumé?

Le problème n'est pas seulement de vérifier les résultats, mais aussi de savoir si la machine fonctionne en premier lieu. Les "ordinateurs quantiques" actuellement disponibles n'ont pas été vérifiés comme fonctionnant comme ils le devraient. Ils sont, en effet, basés sur la théorie, en espérant que cela fonctionne et en jugeant les résultats.

Cela soulève manifestement tout un «camion» de problèmes. Principalement, atteindre la sortie peut être compliqué. Le codage de la machine est également très difficile. De par leur nature même, les ordinateurs quantiques fournissent des réponses probabilistes plutôt que définitives ou absolues. Cela pourrait signifier que pour de nombreuses solutions, la réponse n'est pas nécessairement correcte et nous aurions besoin de la répéter plusieurs fois. Rincez et répétez jusqu'à ce que la réponse «correcte» soit claire. Cela ressemble un peu à la divination d'autrefois.

Cela signifie donc que, selon le problème, il peut ne pas y avoir un énorme avantage à utiliser un ordinateur quantique par rapport à un ordinateur conventionnel. L'exploitation de la puissance de la mécanique quantique améliorerait certainement la rapidité avec laquelle nous recueillons des solutions. À ce jour, les chercheurs n'ont pu le faire que pour un très petit ensemble de problèmes. Par exemple, trouver des facteurs premiers de très grands nombres. Plutôt cool, si vous aimez ce genre de chose, et très utile pour la cryptographie, mais c'est un peu limité.

Conclusion

Si nous parvenons à construire des ordinateurs quantiques à part entière, ils seront inestimables pour la factorisation de grands nombres et parfaits pour le décodage et l'encodage de messages, par exemple. Si nous pouvions en construire un aujourd'hui, les informations sur la sécurité d'Internet seraient sérieusement compromises. Nos méthodes actuelles de cryptage ne seraient pas adaptées à leur objectif par rapport aux capacités de décryptage de l'informatique quantique.

La recherche et l'interrogation de la base de données seraient effectuées en une fraction du temps nécessaire aux ordinateurs conventionnels pour effectuer les mêmes tâches. Les ordinateurs quantiques pourraient également, bien entendu, être utilisés pour aider à mieux comprendre la mécanique quantique et concevoir de futurs ordinateurs quantiques améliorés.

Ce domaine en est encore à ses balbutiements et de nombreux scientifiques pensent qu'un domaine fonctionnel est dans des années. Les machines utiles doivent avoir au moins plusieurs dizaines de qubits pour pouvoir résoudre des problèmes du monde réel et, par conséquent, être viables.

Si nous pouvons comprendre de quoi faire réellement des qubits, déterminer comment protéger la machine des interférences du monde extérieur, réussir à vérifier que la machine fonctionne et donner un sens aux sorties, ces ordinateurs nous offriront certainement des capacités intéressantes à l'avenir. . Si cela ne suffisait pas, nous aurons probablement besoin de vérificateurs ou de "pauses" pour vérifier que les calculs se déroulent comme ils le devraient et améliorer notre confiance dans la sortie finale. Donc, pas de pression alors.

Dans un premier temps, nous verrons probablement des ordinateurs quantiques remplacer les machines conventionnelles pour des tâches telles que le cryptage et les messages codés. Ils auront probablement des places dans d'autres formes de sécurité telles que des formes de clés, peut-être pour les voitures et nos maisons. Un remplacement à grande échelle des ordinateurs conventionnels est probablement peu probable. Quoi que l'avenir nous réserve, les ordinateurs quantiques constitueront probablement une partie non négligeable.

Sources:HowStuffWorks, Plus Magazine, Gizmodo

VOIR AUSSI: Deux ordinateurs quantiques s'affrontent pour la première fois de l'histoire!

Voir la vidéo: TOUS SAVOIR SUR LORDINATEUR QUANTIQUE Documentaire ARTE 2 (Décembre 2020).