Processeur quantique : description, principe de fonctionnement

L'informatique quantique, du moins en théorie, fait parler d'elle depuis des décennies. Les types de machines modernes qui utilisent des mécanismes non classiques pour traiter des quantités de données potentiellement impensables sont de grandes percées. Selon les développeurs, leur implémentation s'est avérée être peut-être la technologie la plus complexe jamais créée. Les processeurs quantiques fonctionnent à des niveaux de matière que l'humanité ne connaissait qu'il y a environ 100 ans. Le potentiel de tels calculs est énorme. L'utilisation des propriétés bizarres des quanta accélérera les calculs, de sorte que de nombreux problèmes qui dépassent actuellement la puissance des ordinateurs classiques seront résolus. Et pas seulement dans le domaine de la chimie et de la science des matériaux. Wall Street montre également de l'intérêt.

Investir dans l'avenir

CME Group a investi dans 1QB Information Technologies Inc., basée à Vancouver, qui développe des logiciels pour les processeurs quantiques. Selon les investisseurs, ces calculs sont susceptibles d'avoir le plus grand impact sur les industries qui opèrent avec de grandes quantités de données sensibles au facteur temps. Les institutions financières sont un exemple de ces consommateurs. Goldman Sachs a investi dans les systèmes D-Wave et In-Q-Tel est financé par la CIA. Le premier produit des machines qui font ce qu'on appelle le "recuit quantique", c'est-à-dire qu'elles résolvent des problèmes d'optimisation de bas niveau à l'aide d'un processeur quantique. Intel investit également dans cette technologie, même s'il considère que sa mise en œuvre est une question d'avenir.

Pourquoi est-ce nécessaire ?

La raison pour laquelle l'informatique quantique est si excitante réside dans sa combinaison parfaite avec l'apprentissage automatique. C'est actuellement la principale application pour de tels calculs. Une partie de l'idée même d'un ordinateur quantique est l'utilisation d'un appareil physique pour trouver des solutions. Parfois, ce concept est expliqué par l'exemple du jeu Angry Birds. Le processeur de la tablette utilise des équations mathématiques pour simuler la gravité et l'interaction des objets en collision. Les processeurs quantiques bouleversent cette approche. Ils lâchent quelques oiseaux et regardent ce qui se passe. Les oiseaux sont enregistrés dans la puce électronique, ils sont lancés, quelle est la trajectoire optimale ? Ensuite, toutes les solutions possibles sont vérifiées, ou au moins une très grande combinaison d'entre elles, et la réponse est donnée. Dans un ordinateur quantique, pas un mathématicien, les lois de la physique fonctionnent à la place.

Comment ça marche?

Les éléments de base de notre monde sont la mécanique quantique. Si vous regardez les molécules, la raison pour laquelle elles se forment et restent stables est l'interaction de leurs orbitales électroniques. Tous les calculs de mécanique quantique sont contenus dans chacun d'eux. Leur nombre croît de façon exponentielle avec le nombre d'électrons simulés. Par exemple, pour 50 électrons, il y a 2 possibilités à la puissance 50. C'est phénoménal, donc on ne peut pas le calculer aujourd'hui. Relier la théorie de l'information à la physique peut ouvrir la voie à la résolution de tels problèmes. Un ordinateur de 50 qubits peut le faire.

L'aube d'une nouvelle ère

Selon Landon Downs, président et co-fondateur de 1QBit, un processeur quantique est la capacité d'exploiter la puissance de calcul du monde subatomique, ce qui est essentiel pour fabriquer de nouveaux matériaux ou créer de nouveaux médicaments. Une transition d'un paradigme de découverte à une nouvelle ère de conception est en cours. Par exemple, l'informatique quantique peut être utilisée pour modéliser des catalyseurs qui extraient le carbone et l'azote de l'atmosphère et contribuent ainsi à arrêter le réchauffement climatique.

A la pointe du progrès

La communauté technologique est extrêmement excitée et occupée. Des équipes du monde entier dans des startups, des entreprises, des universités et des laboratoires gouvernementaux se battent pour construire des machines qui adoptent différentes approches pour traiter l'information quantique. Des puces de qubit supraconductrices et des qubits d'ions piégés ont été créés, qui sont étudiés par des chercheurs de l'Université du Maryland et du National Institute of Standards and Technology des États-Unis. Microsoft développe une approche topologique appelée Station Q, qui vise à utiliser un anion non abélien dont l'existence n'a pas encore été prouvée de manière concluante.

L'année de la percée probable

Et ce n'est que le début. Fin mai 2017, le nombre de processeurs de type quantique capables de faire quelque chose de plus rapide ou de mieux qu'un ordinateur classique était nul. Un tel événement établira la « suprématie quantique », mais cela ne s'est pas encore produit. Bien qu'il soit probable que cela puisse arriver cette année. La plupart des initiés disent que le grand favori est le groupe Google dirigé par le professeur de physique de l'UC Santa Barbara, John Martini. Son objectif est d'atteindre la supériorité de calcul avec un processeur de 49 qubits. Fin mai 2017, l'équipe avait testé avec succès la puce de 22 qubits comme étape intermédiaire vers le démontage d'un supercalculateur classique.

Comment tout cela a-t-il commencé?

L'idée d'utiliser la mécanique quantique pour traiter l'information existe depuis des décennies. L'un des événements clés s'est produit en 1981 lorsqu'IBM et le MIT ont co-organisé une conférence sur la physique de l'informatique. Le célèbre physicien a proposé de construire un ordinateur quantique. Selon lui, pour la modélisation, il faut utiliser les moyens de la mécanique quantique. Et c'est une grande tâche car cela ne semble pas si facile. Dans un processeur quantique, le principe de fonctionnement est basé sur plusieurs propriétés étranges des atomes - superposition et intrication. Une particule peut être dans deux états à la fois. Cependant, lorsqu'il est mesuré, il apparaîtra dans un seul d'entre eux. Et il est impossible de prédire lequel, sauf du point de vue de la théorie des probabilités. Cet effet est au cœur de l'expérience de pensée avec le chat de Schrödinger, qui est à la fois vivant et mort dans une boîte jusqu'à ce que l'observateur s'y glisse. Rien dans la vie de tous les jours ne fonctionne ainsi. Néanmoins, environ 1 million d'expériences réalisées depuis le début du 20ème siècle montrent que la superposition existe. Et la prochaine étape consiste à trouver comment utiliser ce concept.

Processeur quantique : description du poste

Les bits classiques peuvent prendre la valeur 0 ou 1. Si vous passez leur chaîne à travers les "portes logiques" (ET, OU, NON, etc.), alors vous pouvez multiplier les nombres, dessiner des images, etc. Un qubit peut prendre les valeurs 0, 1 ou les deux à la fois. Si, disons, 2 qubits sont intriqués, cela les rend parfaitement corrélés. Un processeur quantique peut utiliser des portes logiques. T. n. une porte d'Hadamard, par exemple, met un qubit dans un état de superposition parfaite. Lorsque la superposition et l'intrication sont combinées avec des portes quantiques judicieusement placées, le potentiel du calcul subatomique commence à se déployer. 2 qubits permettent d'explorer 4 états : 00, 01, 10 et 11. Le principe de fonctionnement d'un processeur quantique est tel qu'effectuer une opération logique permet de travailler avec toutes les positions à la fois. Et le nombre d'états disponibles est de 2 à la puissance du nombre de qubits. Donc, si vous fabriquez un ordinateur quantique universel de 50 qubits, vous pouvez théoriquement explorer toutes les combinaisons de 1,125 quadrillion en même temps.

Kudits

Un processeur quantique en Russie est vu un peu différemment. Des scientifiques de l'Institut de physique et de technologie de Moscou et du Centre quantique russe ont créé des « kudits », qui sont plusieurs qubits « virtuels » avec différents niveaux « d'énergie ».

Amplitudes

Un processeur quantique a l'avantage que la mécanique quantique est basée sur des amplitudes. Les amplitudes sont similaires aux probabilités, mais elles peuvent aussi être des nombres négatifs et complexes. Ainsi, s'il est nécessaire de calculer la probabilité d'un événement, vous pouvez additionner les amplitudes de toutes les variantes possibles de leur évolution. L'idée derrière l'informatique quantique est d'essayer de s'accorder de manière à ce que certains chemins menant à des réponses incorrectes aient des amplitudes positives et d'autres négatives, de sorte qu'ils s'annulent mutuellement. Et les chemins menant à la bonne réponse auraient des amplitudes en phase les unes avec les autres. L'astuce est que vous devez tout organiser sans savoir à l'avance quelle réponse est correcte. Ainsi, l'exponentialité des états quantiques, combinée au potentiel d'interférence entre les amplitudes positives et négatives, est un avantage de ce type de calcul.

Algorithme de Shor

Il existe de nombreuses tâches que l'ordinateur ne peut pas résoudre. Par exemple, le cryptage. Le problème est qu'il n'est pas facile de trouver les facteurs premiers d'un nombre à 200 chiffres. Même si l'ordinateur portable exécute un excellent logiciel, cela peut prendre des années pour trouver la réponse. Ainsi, un autre jalon dans l'informatique quantique a été un algorithme publié en 1994 par Peter Shor, aujourd'hui professeur de mathématiques au MIT. Sa méthode consiste à trouver les facteurs d'un grand nombre à l'aide d'un ordinateur quantique qui n'existait pas encore. Essentiellement, l'algorithme effectue des opérations qui indiquent les zones avec la bonne réponse. L'année suivante, Shore découvrit une méthode de correction d'erreur quantique. Ensuite, beaucoup se sont rendu compte qu'il s'agissait d'une méthode alternative de calcul, qui dans certains cas peut être plus puissante. Ensuite, il y a eu un regain d'intérêt de la part des physiciens pour la création de qubits et de portes logiques entre eux. Et maintenant, deux décennies plus tard, l'humanité est sur le point de créer un ordinateur quantique à part entière.