L'essence d'un ordinateur quantique

Les ordinateurs quantiques promettent une véritable révolution, non seulement en informatique, mais aussi dans la vraie vie. Les médias regorgent de gros titres sur la façon dont les ordinateurs quantiques vont détruire la cryptographie moderne, et la puissance de l'intelligence artificielle, grâce à eux, augmentera de plusieurs ordres de grandeur.

Au cours des 10 dernières années, les ordinateurs quantiques sont passés de la pure théorie aux premiers prototypes fonctionnels. Certes, il reste encore un long chemin à parcourir avant la révolution promise, et son influence à la fin peut ne pas être aussi complète qu'il y paraît maintenant.

Comment fonctionne un ordinateur quantique

Un ordinateur quantique est un appareil qui utilise les phénomènes de superposition quantique et d'intrication quantique. L'élément principal de ces calculs est le qubit, ou bit quantique. Derrière tous ces mots se cachent des mathématiques et une physique assez complexes, mais si nous les simplifions au maximum, nous obtenons quelque chose comme ce qui suit.

Dans les ordinateurs conventionnels, nous traitons avec des bits. Bit - une unité d'information dans le système binaire. Il peut prendre les valeurs 0 et 1, ce qui est très pratique non seulement pour les opérations mathématiques, mais également pour les opérations logiques, car zéro peut se voir attribuer la valeur «faux» et un - «vrai».

Les processeurs modernes sont construits sur la base de transistors, des éléments semi-conducteurs qui peuvent laisser passer ou non le courant électrique. Autrement dit, sortir deux valeurs 0 et 1. De même, en mémoire flash, un transistor à grille flottante peut stocker une charge. S'il existe, nous en obtenons un ; si ce n'est pas le cas, nous obtenons zéro. L'enregistrement numérique magnétique fonctionne de manière similaire, seul le support d'informations est une particule magnétique, ayant ou non une charge.

Dans les calculs, on lit la valeur d'un bit (0 ou 1) de la mémoire puis on fait passer du courant dans le transistor et, selon qu'il le passe ou non, on obtient un nouveau bit en sortie, ayant éventuellement une valeur différente.

Que sont les qubits pour les ordinateurs quantiques ? Dans un ordinateur quantique, l'élément principal est un qubit - un bit quantique. Contrairement à un bit ordinaire, il est dans un état de superposition quantique, c'est-à-dire qu'il a une valeur à la fois de 0 et de 1, et n'importe quelle combinaison de celles-ci à un moment donné. S'il y a plusieurs qubits dans le système, en changer un implique également de changer tous les autres qubits.

Cela vous permet de calculer simultanément toutes les options possibles. Un processeur conventionnel avec ses calculs binaires calcule en fait les options séquentiellement. D'abord un scénario, puis un autre, puis un troisième, et ainsi de suite. Pour accélérer, ils ont commencé à utiliser le multithreading, en exécutant des calculs en parallèle, en préchargeant afin de prédire les options de branchement possibles et de les calculer à l'avance. Dans un ordinateur quantique, tout cela se fait en parallèle.

Le principe de calcul est également différent. En un sens, un ordinateur quantique contient déjà toutes les options possibles pour résoudre le problème, notre tâche consiste uniquement à lire l'état des qubits et ... à choisir la bonne option parmi eux. Et ici les difficultés commencent. C'est le principe de fonctionnement d'un ordinateur quantique.

Création d'un ordinateur quantique

Quelle sera la nature physique d'un ordinateur quantique ? Seules les particules peuvent atteindre un état quantique. Vous ne pouvez pas construire un qubit à partir de plusieurs atomes, comme un transistor. Jusqu'à présent, ce problème n'a pas été entièrement résolu. Il existe plusieurs options. Les états de charge des atomes sont utilisés, par exemple, la présence ou l'absence d'un électron en un point ordinaire, des éléments supraconducteurs, des photons, etc.

Ces "questions subtiles" imposent également des restrictions sur les mesures de l'état des qubits. Les énergies sont extrêmement faibles, des amplificateurs sont nécessaires pour lire les données. Mais les amplificateurs peuvent affecter un système quantique et changer ses états, cependant, non seulement eux, mais même le fait même de l'observation peut être important.

L'informatique quantique implique une séquence d'opérations qui sont effectuées sur un ou plusieurs qubits. Celles-ci, à leur tour, entraînent des changements dans l'ensemble du système. La tâche consiste à choisir le bon parmi ses états, ce qui donne le résultat des calculs. Dans ce cas, il peut y avoir un nombre arbitraire d'états aussi proches que possible d'un. En conséquence, la précision de ces calculs sera presque toujours différente de l'unité.

Ainsi, pour un ordinateur quantique à part entière, des progrès significatifs en physique sont nécessaires. De plus, la programmation d'un ordinateur quantique sera différente de ce qui existe actuellement. Enfin, les ordinateurs quantiques ne pourront pas résoudre des problèmes que les conventionnels ne peuvent résoudre, mais ils peuvent accélérer la résolution de ceux qu'ils peuvent traiter. Certes, encore une fois, pas tous.

Compter sur les qubits, ordinateur quantique qubit

Peu à peu, les problèmes sur le chemin d'un ordinateur quantique sont supprimés. Les premiers qubits ont été construits au début du siècle. Le processus s'est accéléré au début de la décennie. Aujourd'hui, les développeurs sont déjà capables de produire des processeurs avec des dizaines de qubits.

La dernière percée a été la création du processeur Bristlecone dans les entrailles de Google. En mars 2018, la société a déclaré qu'elle était en mesure de construire un processeur de 72 qubits. Sur quels principes physiques Bristlecone est construit, Google ne rapporte pas. Cependant, on pense que 49 qubits suffisent pour atteindre la "supériorité quantique", lorsqu'un ordinateur quantique commence à surpasser un ordinateur conventionnel. Google a réussi à remplir cette condition, mais le taux d'erreur de 0,6 % est toujours supérieur aux 0,5 % requis.

À l'automne 2017, IBM a annoncé la création d'un prototype de processeur quantique de 50 qubits. Il est testé. Mais en 2017, IBM a ouvert son processeur de 20 qubits au cloud computing. Une version plus petite d'IBM Q a été lancée en mars 2018. N'importe qui peut expérimenter sur un tel ordinateur. Sur la base de leurs résultats, 35 articles scientifiques ont déjà été publiés.

Au début du 10e anniversaire, la société suédoise D-Wave est apparue sur le marché, qui a positionné ses ordinateurs comme quantiques. Il a généré beaucoup de polémiques, car il a annoncé la création de machines à 1000 qubits, alors que les leaders reconnus «bricolaient» avec seulement quelques qubits. Les ordinateurs des développeurs suédois ont été vendus entre 10 et 15 millions de dollars, il n'était donc pas si facile de les vérifier.

Les ordinateurs D-Wave ne sont pas quantiques au sens direct du terme, mais ils utilisent certains effets quantiques qui peuvent être appliqués pour résoudre certains problèmes d'optimisation. En d'autres termes, tous les algorithmes pouvant être exécutés sur un ordinateur quantique n'obtiennent pas une accélération quantique sur D-Wave. Google a acquis l'un des systèmes des Suédois. En conséquence, ses chercheurs ont reconnu les ordinateurs comme "quantiques limités". Dans le même temps, il s'est avéré que les qubits sont regroupés en grappes de huit, c'est-à-dire que leur nombre réel est sensiblement inférieur à celui déclaré.

Ordinateur quantique en Russie

L'école de physique traditionnellement forte permet d'apporter une contribution significative à la résolution de problèmes physiques pour la création d'un ordinateur quantique. En janvier 2018, les Russes ont créé un amplificateur de signal pour un ordinateur quantique. Considérant que l'amplificateur lui-même est capable d'influencer l'état des qubits par son fonctionnement, le niveau de bruit généré par celui-ci devrait différer peu de celui du "vide". Ceci a été réalisé par des scientifiques russes du laboratoire "Métamatériaux supraconducteurs" de NUST "MISiS" et deux instituts de l'Académie russe des sciences. Des supraconducteurs ont été utilisés pour créer l'amplificateur.

Un centre quantique a également été créé en Russie. C'est une organisation de recherche non gouvernementale engagée dans la recherche dans le domaine de la physique quantique. Elle traite notamment du problème de la création de qubits. Derrière le centre se trouvent l'homme d'affaires Sergei Belousov et le professeur de l'Université de Harvard Mikhail Lukin. Sous sa direction, un processeur de 51 qubits avait déjà été créé à Harvard, qui pendant un certain temps avant l'annonce de Bristlecon était le dispositif informatique quantique le plus puissant au monde.

Le développement de l'informatique quantique fait désormais partie du programme d'État de l'économie numérique. En 2018-2020, un soutien de l'État sera alloué pour les travaux dans ce domaine. Le plan d'action prévoit la création d'un simulateur quantique basé sur huit qubits supraconducteurs. Après cela, la question de la mise à l'échelle de cette technologie sera tranchée.

De plus, d'ici 2020, la Russie va tester une autre technologie quantique : construire des qubits sur des atomes neutres et des ions chargés dans des pièges.

L'un des objectifs du programme est de créer des dispositifs pour la cryptographie quantique et les communications quantiques. Des centres de distribution de clés quantiques seront créés, qui les distribueront aux consommateurs - banques, centres de données, entreprises industrielles. On pense qu'un ordinateur quantique à part entière peut casser n'importe quel algorithme de chiffrement moderne en quelques minutes.

Finalement

Ainsi, les ordinateurs quantiques sont encore expérimentaux. Il est peu probable qu'un ordinateur quantique à part entière offrant une puissance de calcul vraiment élevée apparaisse avant la prochaine décennie. La production de qubits et la construction de systèmes stables à partir de ceux-ci sont encore loin d'être parfaites.

A en juger par le fait qu'au niveau physique, les ordinateurs quantiques ont plusieurs solutions qui diffèrent par la technologie et, probablement, par le coût, ils ne seront pas unifiés avant 10 ans.Le processus de normalisation peut prendre beaucoup de temps.

De plus, il est déjà clair que les ordinateurs quantiques seront probablement des appareils « monoblocs » et très coûteux au cours de la prochaine décennie. Il est peu probable qu'ils soient dans la poche d'un simple utilisateur, mais on peut s'attendre à ce que la liste des supercalculateurs apparaisse.

Il est probable que les ordinateurs quantiques seront proposés dans le modèle "cloud", lorsque les chercheurs et organisations intéressés pourront utiliser leurs ressources.