Qu’est-ce que l’informatique quantique ?

L’informatique quantique est la promesse de résoudre certains des plus grands défis de notre planète - dans les domaines de l’environnement, de l’agriculture, de la santé, de l’énergie, du climat, de la science des matériaux, etc. Pour certains de ces problèmes, l’informatique classique peine de plus en plus à mesure que la taille du système augmente. Lorsqu’ils sont conçus pour être mis à l’échelle, les systèmes quantiques auront probablement des capacités qui dépassent celles des supercalculateurs les plus puissants d’aujourd’hui.

Cet article explique les principes de l’informatique quantique, comment il compare à l’informatique classique et comment il utilise les principes de la mécanique quantique.

Conseil

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Pourquoi utiliser des ordinateurs quantiques ?

L’idée d’un ordinateur quantique est née de la difficulté de simuler des systèmes quantiques sur un ordinateur classique. Dans les années 1980, Richard Feynman et Yuri Manin ont suggéré indépendamment qu’un matériel basé sur des phénomènes quantiques pourrait être plus efficace pour la simulation des systèmes quantiques que les ordinateurs conventionnels.

Il existe de nombreuses façons de comprendre pourquoi la mécanique quantique est difficile à simuler. Le plus simple est de constater que la matière, au niveau quantique, se trouve dans une multitude de configurations possibles (appelées états).

L’informatique quantique augmente de façon exponentielle

Considérez un système d’électrons où il y $a 40$ emplacements possibles. Le système peut donc se trouver dans l’une des $configurations 2^{40}$ (étant donné que chaque emplacement peut avoir ou non un électron). Pour stocker l’état quantique des électrons dans une mémoire d’ordinateur conventionnelle nécessiterait plus de $130$ Go de mémoire ! Si nous avons permis aux particules d’être dans l’une des $41$ positions, il y aurait deux fois plus de configurations à $2^{41}$ qui à leur tour nécessiteraient plus $de 260$ Go de mémoire pour stocker l’état quantique.

Il n’est pas possible de jouer indéfiniment sur l’augmentation du nombre d’emplacements. Si nous souhaitons stocker l’état de manière conventionnelle, nous dépassons rapidement les capacités de mémoire des machines les plus puissantes du monde. À quelques centaines d’électrons, la mémoire requise pour stocker le système dépasse le nombre de particules dans l’univers. Par conséquent, il n’existe aucun espoir que nos ordinateurs conventionnels simulent jamais leur dynamique quantique.

Transformer la difficulté en opportunité

L’observation de cette croissance exponentielle nous a conduit à nous poser une question importante : pouvons-nous transformer cette difficulté en opportunité ? Plus précisément, si la dynamique quantique est difficile à simuler, que se passerait-il si nous construisions du matériel qui aurait des effets quantiques pour opérations fondamentales ? Pourrions-nous simuler des systèmes quantiques d’interaction de particules à l’aide d’une machine qui exploite exactement les mêmes lois de la physique ? Et pourrions-nous utiliser ces machines pour examiner d’autres tâches qui sont absentes des particules quantiques, mais qui sont cruciales pour nous ? Ces questions ont donné naissance à l’informatique quantique.

En 1985, David Deutsch a montré qu’un ordinateur quantique pouvait simuler efficacement le comportement de n’importe quel système physique. Cette découverte a été la première indication montrant que les ordinateurs quantiques pouvaient être utilisés pour résoudre des problèmes insolubles sur les ordinateurs classiques.

En 1994, Peter Shor a découvert un algorithme quantique pour factoriser des entiers qui s’exécutent exponentiellement plus vite que l’algorithme classique le plus connu. La résolution de la factorisation permet de casser un grand nombre de nos systèmes de chiffrement à clé publique, qui sous-tendent la sécurité actuelle de l’e-commerce, notamment l’algorithme RSA et le chiffrement à courbe elliptique. Cette découverte a suscité un énorme intérêt pour l’informatique quantique et a conduit au développement d’algorithmes quantiques pour de nombreux autres problèmes.

Depuis lors, des algorithmes quantiques rapides et efficaces ont été développés pour de nombreuses tâches classiques complexes : la simulation des systèmes physiques en chimie, la physique et la science des matériaux, la recherche au sein d’une base de données non ordonnée, la résolution de systèmes d’équations linéaires ainsi que le machine learning.

Présentation d’un qubit

Tout comme les bits sont l’objet d’information fondamental en informatique classique, les qubits (bits quantiques) sont l’objet d’information fondamental en informatique quantique.

Un qubit est l’unité de base de l’information en informatique quantique. Dans l’informatique quantique, les qubits jouent un rôle similaire à celui des bits dans l’informatique classique, mais ils se comportent de façon très différente. Les bits classiques sont binaires et peuvent contenir uniquement une position de $0$ ou $1$, mais les qubits peuvent contenir une superposition de tous les états possibles. Cela signifie qu’un qubit peut être dans un état de $0$, $1$ ou toute superposition quantique des deux. Il existe des superpositions infinies de $0$ et $1$, et chacune d’elles est un état qubit valide.

Dans l’informatique quantique, les informations sont encodées dans la superposition des états $0$ et $1$. Par exemple, avec $8$ bits, nous pourrions encoder $256$ valeurs différentes, mais nous devons choisir l’une d’entre elles pour l’encoder. Avec $8$ qubits, nous pourrions encoder les $256$ valeurs en même temps. Ce comportement est dû au fait qubit peut se trouver dans une superposition de tous les états possibles.

Pour plus d’informations, consultez Le qubit dans l’informatique quantique.

Comment créer un ordinateur quantique

Un ordinateur quantique est un ordinateur qui tire parti des phénomènes mécaniques quantiques. Les ordinateurs quantiques utilisent des états quantiques de matière pour stocker et calculer des informations. Ils peuvent &citer ; entre guillemets de programmes& ; interférence quantique pour faire des choses plus rapidement ou mieux que les ordinateurs classiques.

Lors de la création d’un ordinateur quantique, nous devons réfléchir à la création des qubits et à leur stockage. Nous devons également réfléchir à la façon de les manipuler et de lire les résultats de nos calculs.

La plupart des technologies qubit utilisées sont des qubits à ions piégés, des qubits supraconducteurs et des qubits topologiques. Pour certaines méthodes de stockage de qubits, l’unité qui abrite les qubits est maintenue à une température proche du zéro absolu afin d’optimiser leur cohérence et de réduire les interférences. D’autres types d’hébergements des qubits utilisent une chambre à vide pour réduire au maximum les vibrations et stabiliser les qubits. Les signaux peuvent être envoyés aux qubits au moyen de diverses méthodes, comme les micro-ondes, le laser et la tension.

Les cinq critères d’un ordinateur quantique

Un bon ordinateur quantique doit avoir ces cinq fonctionnalités :

1. Évolutif : Il peut avoir de nombreux qubits.
2. Initialisable : il peut définir les qubits sur un état spécifique (généralement l’état $0$ ).
3. Résilient : Il peut conserver les qubits dans l’état de superposition pendant une longue période.
4. Universel : Un ordinateur quantique n’a pas besoin d’effectuer toutes les opérations possibles, seulement un ensemble d’opérations appelé jeu universel. Un ensemble d’opérations quantiques universelles est tel que toute autre opération peut être décomposée en une séquence d’opérations.
5. Fiable : Il peut mesurer les qubits avec précision.

Ces cinq critères sont souvent appelés les critères de Di Vincenzo pour le calcul quantique.

La création d’appareils qui répondent à ces cinq critères est l’un des défis d’ingénierie les plus exigeants jamais rencontrés par l’humanité. Microsoft s’associe à quelques-uns des meilleurs fabricants d’ordinateurs quantiques au monde pour vous permettre d’accéder aux dernières solutions de calcul quantique via Azure Quantum. Pour plus d’informations, consultez la liste complète des fournisseurs Azure Quantum.

À quoi peuvent servir l’informatique quantique et Azure Quantum ?

Un ordinateur quantique n’est pas un superordinateur qui peut tout faire plus vite. En réalité, l’un des objectifs de la recherche en matière d’informatique quantique est l’étude des problèmes pouvant être résolus plus rapidement par un ordinateur quantum que par un ordinateur classique, ainsi que l’ampleur de l’accélération.

Les ordinateurs quantiques sont extrêmement efficaces pour les problèmes qui nécessitent le calcul d’un grand nombre de combinaisons différentes possibles. Ces types de problèmes surviennent dans de nombreux domaines, tels que la simulation quantique, le chiffrement, le Machine Learning quantique et les problèmes de recherche.

Pour obtenir les informations les plus récentes sur la recherche en informatique quantique de Microsoft, consultez la page Microsoft Research Quantum Computing.

Estimation de la ressource

Les ordinateurs quantiques disponibles aujourd’hui permettent des expérimentations et des recherches intéressantes, mais ils ne peuvent pas accélérer les calculs nécessaires pour résoudre les problèmes réels. Bien que l’industrie attend des avancées matérielles, les innovateurs de logiciels quantiques sont impatients de progresser et de se préparer à un avenir quantique. La création d’algorithmes aujourd’hui qui seront finalement exécutés sur les ordinateurs quantiques mis à l’échelle à tolérance de panne de demain est une tâche intimidante. Ces innovateurs sont confrontés à des questions telles que les ressources matérielles requises ? Combien (et quel type) de qubits physiques et logiques sont nécessaires ? Quel est le temps d’exécution ?

Vous pouvez utiliser l’estimateur de ressources Azure Quantum pour répondre à ces questions. Par conséquent, vous allez être en mesure d’affiner vos algorithmes et de créer des solutions qui tirent parti des ordinateurs quantum mis à l’échelle lorsqu’ils deviennent disponibles.

Pour commencer, consultez Exécuter votre première estimation de ressource.

Simulation quantique

La mécanique quantique est le guillemet sous-jacent &; guillemets de système&d’exploitation ; de notre univers. Il décrit comment les composantes de base de la nature fondamentales se comportent. Les comportements de la nature, comme les réactions chimiques et biologiques ou les formations de matière, impliquent souvent des interactions quantiques à plusieurs corps. Pour simuler des systèmes mécaniques quantiques intrinsèquement, tels que des molécules, l’informatique quantique est prometteuse, car les qubits (bits quantiques ) peuvent être utilisés pour représenter les états naturels en question. Exemples de systèmes quantiques que nous pouvons modéliser : la photosynthèse, la superconductivité et les formations moléculaires complexes.

Azure Quantum Elements est conçu pour accélérer la découverte scientifique. Réinventez votre productivité de recherche et de développement avec des workflows de simulation optimisés pour la mise à l’échelle sur des clusters HpC (High-Performance Computing), l’informatique accélérée par l’IA, le raisonnement augmenté à l’aide de l’IA, l’intégration avec des outils quantiques pour commencer à expérimenter du matériel quantique existant et accéder à l’avenir au supercalculateur quantique de Microsoft. Pour plus d’informations, consultez Déverrouiller la puissance d’Azure for Molecular Dynamics.

Accélérations de Quantum

L’un des objectifs de la recherche en matière d’informatique quantique est d’étudier les problèmes qui peuvent être résolus par un ordinateur quantique plus rapidement que par un ordinateur classique ainsi que la taille de l’accélération. Deux exemples bien connus : l’algorithme de Grover et l’algorithme de Shor, qui produisent une accélération polynomiale et exponentielle, respectivement, par rapport à leurs équivalents classiques.

L’algorithme de Shor exécuté sur un ordinateur quantique pouvait casser les schémas de chiffrement classiques tels que le schéma RSA (Rivest–Shamir–Adleman), qui est largement utilisé dans le commerce électronique pour la transmission sécurisée des données. Ce schéma est basé sur la difficulté réelle de factoriser des nombres premiers en utilisant des algorithmes classiques. Le chiffrement quantique promet la sécurité des informations en exploitant la physique de base plutôt que les hypothèses de complexité.

L’algorithme de Grover donne un grand coup d’accélérateur dans le traitement des recherches de données non structurées, en réduisant le nombre des étapes de recherche comme aucun algorithme classique ne l’avait fait auparavant. En effet, tout problème qui vous permet de vérifier si une valeur $donnée x$ est une solution valide (un &guillemet ; Oui ou aucun guillemet de problème& ;) peut être formulé en termes de problème de recherche. Voici quelques exemples :

• Problème de satisfiabilité booléenne : l’ensemble de valeurs $booléennes x$ une interprétation (une affectation de valeurs à des variables) qui satisfait à la formule booléenne donnée ?
• Problème des vendeurs itinérants : X$ décrit-t-il $la boucle la plus courte possible qui connecte toutes les villes ?
• Problème de recherche de base de données : la table de base de données contient-elle un enregistrement $x$ ?
• Problème de factorisation d’entier : le nombre $fixe N$ divise-t-il par le nombre $x$ ?

Pour un examen plus approfondi de l’algorithme de Grover, consultez le tutoriel Implémenter l’algorithme de Grover dans Q#.

Comment l’informatique quantique résout des problèmes ?

Les ordinateurs quantiques sont des dispositifs mécaniques quantiques contrôlables qui exploitent les propriétés de la physique quantique pour effectuer des calculs. Pour certaines tâches de calcul, l’informatique quantique offre des accélérations exponentielles. Ces accélérations sont possibles grâce à trois phénomènes de mécanique quantique : superposition, interférence et enchevêtrement.

Superposition

Imaginez que vous êtes en train de faire de l’exercice dans votre salon. Vous vous tournez entièrement vers la gauche, puis entièrement vers la droite. À présent, vous essayez de vous tourner vers la gauche et vers la droite en même temps. C’est impossible à faire, à moins de vous couper en deux ! Vous ne pouvez évidemment pas être dans ces deux états simultanément : être face au côté gauche et face au côté droit au même moment.

En revanche, si vous étiez une particule quantique, vous pourriez avoir une certaine probabilité d’être face au côté gauche ET une certaine probabilité d’être face au côté droit grâce à un phénomène connu sous le nom de superposition (ou cohérence).

Contrairement aux particules classiques, si deux états A et B sont des états quantiques valides d’une particule quantique, toute combinaison linéaire des états est également un état quantique valide : $\text{état}=\alpha qubit A + \beta B$.$ $$ $ Cette combinaison linéaire d’états quantiques $A$ et $B$ est appelée superposition. Ici, $\alpha$ et $\beta$ sont les amplitudes de probabilité de $A$ et $B$, respectivement, de telle sorte que $|\alpha|^{{2} + |\beta|^{2}= 1$.

Seuls les systèmes quantiques comme les ions, les électrons ou les circuits supraconducteurs peuvent exister dans les états de superposition qui fournissent toute la puissance de l’informatique quantique. Une particule quantique telle qu’un électron a sa propre propriété « face à gauche ou à droite », à savoir la rotation, appelée « haut ou bas », de sorte que l’état quantique d’un électron est une superposition de &guillemets ; spin up" ; and " ; spin down" ;.

En général, et pour faire le rapprochement avec l’informatique binaire classique, si un système quantique peut se trouver dans deux états quantiques, ces états sont « état 0 » et « état 1 ».

Qubits et probabilité

Les ordinateurs classiques stockent et traitent les informations en bits, qui peuvent avoir l’état 1 ou 0, mais jamais les deux à la fois. L’équivalent en informatique quantique est le qubit. Un qubit est un système quantique qui peut se trouver dans une superposition de deux états quantiques, 0 et 1. Chaque état quantique possible est associé à une amplitude de probabilité. Une fois que vous avez mesuré un qubit, son état est réduit à l’état 0 ou l’état 1 en fonction de la probabilité associée. Par conséquent, l’un des états possibles est obtenu avec une certaine probabilité.

La probabilité de réduction d’un qubit dans un sens ou l’autre est déterminée par l’interférence quantique. L’interférence quantique change l’état d’un qubit pour influencer la probabilité d’un certain résultat pendant la mesure. Cet état probabiliste donne toute la mesure de la puissance de l’informatique quantique.

Par exemple, avec deux bits dans un ordinateur classique, chaque bit pouvant stocker 1 ou 0, vous pouvez stocker quatre valeurs possibles (00, 01, 10 et 11), mais uniquement l’une de ces valeurs à la fois. Avec deux qubits en superposition, chaque qubit peut être 1 ou 0 ou les deux, ce qui vous permet de représenter les mêmes quatre valeurs simultanément. Avec trois qubits, vous pouvez donc représenter huit valeurs, avec quatre qubits, 16 valeurs, et ainsi de suite.

Pour plus d’informations, consultez Le qubit dans l’informatique quantique.

Intrication

L’un des phénomènes les plus intéressants de la mécanique quantique est la possibilité que deux systèmes quantiques ou plus soient intriqués l’un avec l’autre. L’intrication est une corrélation quantique entre systèmes quantiques. Quand les qubits sont intriqués, ils forment un système global de sorte que l’état quantique des sous-systèmes individuels ne peut pas être décrit de manière indépendante. Deux systèmes sont enchevêtrés lorsque l’état du système global ne peut pas être écrit comme une combinaison de l’état des sous-systèmes, en particulier, deux systèmes sont enchevêtrés lorsque l’état du système global ne peut pas être écrit en tant que produit deensoriel des états des sous-systèmes. Un état de produit ne contient aucune corrélation.

Les systèmes quantiques enchevêtrés maintiennent cette corrélation même lorsqu’ils sont séparés sur de grandes distances. En d’autres termes, quelle que soit l’opération ou le processus que vous appliquez à un sous-système, il est corrélé sur l’autre sous-système également. Du fait de la corrélation entre les qubits intriqués, la mesure de l’état d’un qubit fournit aussi des informations sur l’état de l’autre qubit. Cette propriété particulière est très utile dans le domaine de l’informatique quantique.

Remarque

Toutes les corrélations entre les mesures de deux qubits ne signifient pas que les deux qubits sont enchevêtrés. Outre les corrélations quantiques, il existe également des corrélations classiques. La différence entre les corrélations classiques et quantiques est subtile, mais elle est essentielle pour la rapidité fournie par les ordinateurs quantiques. Pour plus d’informations, consultez Présentation des corrélations classiques.

Si vous souhaitez en savoir plus, consultez le tutoriel Exploration de l’inanglement quantique avec Q#.