Qu'est-ce que l'informatique quantique ?
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Qu'est-ce que l'informatique quantique ?

L'informatique quantique est une technologie en plein essor qui exploite les lois de la mécanique quantique pour résoudre des problèmes trop complexes pour les ordinateurs classiques. 

Aujourd'hui, IBM Quantum met un véritable matériel quantique - un outil que les scientifiques n'ont commencé à imaginer qu'il y a trois décennies - à la disposition de milliers de développeurs. Régulièrement, nos ingénieurs mettent au point des processeurs quantiques supraconducteurs toujours plus puissants, afin d'atteindre la vitesse et la capacité de calcul quantique nécessaires pour changer le monde. 

Ces machines sont très différentes des ordinateurs classiques qui existent depuis plus d'un demi-siècle. Voici une introduction à cette technologie transformatrice.

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Pourquoi avons-nous besoin d'ordinateurs quantiques ?

Pour certains problèmes, les superordinateurs ne sont pas si super.

Lorsque les scientifiques et les ingénieurs rencontrent des problèmes complexes, ils se tournent vers les supercalculateurs. Ce sont de très gros ordinateurs classiques, souvent avec des milliers de cœurs d'unité centrale et d'unité de traitement graphique. Cependant, même les superordinateurs ont du mal à résoudre certains types de problèmes.

Si un supercalculateur est bloqué, c'est probablement parce qu'on a demandé à la grosse machine classique de résoudre un problème très complexe. Lorsque les ordinateurs classiques échouent, l'origine du problème est souvent complexité.

Les problèmes complexes sont des problèmes avec de nombreuses variables interagissant de manière compliquée. La modélisation du comportement des atomes individuels dans une molécule est un problème complexe en raison de tous les électrons différents qui interagissent les uns avec les autres. Le tri des itinéraires idéaux pour quelques centaines de pétroliers dans un réseau maritime mondial est également complexe.  

 


Pourquoi les ordinateurs quantiques sont-ils plus rapides ?

Regardons un exemple qui montre comment les ordinateurs quantiques peuvent réussir là où les ordinateurs classiques échouent : 

Un supercalculateur pourrait être excellent pour des tâches complexes comme le tri dans une grande base de données de séquences de protéines. Toutefois, il aura des difficultés à voir les schémas subtils de ces données qui déterminent le comportement de ces protéines.

Les protéines sont de longues chaînes d'acides aminés qui deviennent des machines biologiques utiles lorsqu'elles se plient en formes complexes. Déterminer comment les protéines vont se replier est un problème avec des implications importantes pour la biologie et la médecine.

Un supercalculateur classique pourrait essayer de plier une protéine par la force brute, en utilisant ses nombreux processeurs pour vérifier toutes les façons possibles de plier la chaîne chimique avant d'arriver à une réponse. Mais à mesure que les séquences de protéines deviennent plus longues et plus complexes, le superordinateur cale. Une chaîne de 100 acides aminés pourrait théoriquement se replier de n'importe laquelle des milliers de milliards de manières. Aucun ordinateur n'a la mémoire de travail suffisante pour gérer toutes les combinaisons possibles de plis individuels.

Les algorithmes quantiques adoptent une nouvelle approche pour ce genre de problèmes complexes : ils créent des espaces multidimensionnels où émergent les modèles reliant des points de données individuels. Dans le cas d'un problème de repliement des protéines, ce modèle pourrait être la combinaison de plis nécessitant le moins d'énergie à produire. Cette combinaison de plis est la solution au problème.

Les ordinateurs classiques ne peuvent pas créer ces espaces de calcul, ils ne peuvent donc pas trouver ces modèles. Dans le cas des protéines, il existe déjà des algorithmes quantiques précoces qui peuvent trouver des modèles de repliement de manière entièrement nouvelle et plus efficace, sans les procédures laborieuses de vérification des ordinateurs classiques. A mesure que le matériel quantique évolue et que ces algorithmes progressent, ils peuvent s'attaquer à des problèmes de repliement des protéines trop complexes pour n'importe quel superordinateur.

Comment la complexité bloque-t-elle les supercalculateurs ?

Les protéines sont de longues chaînes d'acides aminés qui deviennent des machines biologiques utiles lorsqu'elles se plient en formes complexes. Déterminer comment les protéines vont se replier est un problème qui a des implications importantes pour la biologie et la médecine.

Un supercalculateur classique pourrait essayer de plier une protéine par la force brute, en utilisant ses nombreux processeurs pour vérifier toutes les façons possibles de plier la chaîne chimique avant d'arriver à une réponse. Mais à mesure que les séquences de protéines deviennent plus longues et plus complexes, le superordinateur cale. Une chaîne de 100 acides aminés pourrait théoriquement se replier de n'importe laquelle des milliers de milliards de manières. Aucun ordinateur n'a la mémoire de travail suffisante pour gérer toutes les combinaisons possibles de plis individuels.

Les ordinateurs quantiques sont conçus pour la complexité
Les algorithmes quantiques adoptent une nouvelle approche pour ce genre de problèmes complexes : ils créent des espaces multidimensionnels où émergent les modèles reliant des points de données individuels. Les ordinateurs classiques ne peuvent pas créer ces espaces de calcul, ils ne peuvent donc pas trouver ces modèles. Dans le cas des protéines, il existe déjà des algorithmes quantiques précoces qui peuvent trouver des modèles de repliement de manière entièrement nouvelle et plus efficace, sans les procédures laborieuses de vérification des ordinateurs classiques. A mesure que le matériel quantique évolue et que ces algorithmes progressent, ils peuvent s'attaquer à des problèmes de repliement des protéines trop complexes pour n'importe quel superordinateur.


Comment fonctionnent les ordinateurs quantiques ?

Les ordinateurs quantiques sont des machines élégantes, plus petites et nécessitant moins d'énergie que les superordinateurs. Un processeur IBM Quantum est une plaquette pas beaucoup plus grande que celle que l'on trouve dans un ordinateur portable. Et un système matériel quantique a à peu près la taille d'une voiture, composé principalement de systèmes de refroidissement pour maintenir le processeur supraconducteur à sa température de fonctionnement ultra-froide.

Un processeur classique utilise des bits pour effectuer ses opérations. Un ordinateur quantique utilise des qubits (CUE-bits) pour exécuter des algorithmes quantiques multidimensionnels.

Superfluides
Votre ordinateur de bureau utilise probablement un ventilateur afin d'être suffisamment froid pour pouvoir fonctionner. Nos processeurs quantiques doivent être très froids – environ un centième de degré au-dessus du zéro absolu. Pour y parvenir, nous utilisons des superfluides surfondus pour créer des supraconducteurs.

Supraconducteurs
À ces températures ultrabasses, certains matériaux de nos processeurs présentent un autre effet de mécanique quantique important : les électrons se déplacent sans résistance. Cela fait d'eux des « supraconducteurs ». Lorsque les électrons traversent les supraconducteurs, ils s'apparient, formant des « paires de Cooper ». Ces paires peuvent transporter une charge à travers des barrières, ou isolants, grâce à un processus connu sous le nom de tunnellisation quantique. Deux supraconducteurs placés de part et d'autre d'un isolant forment une jonction Josephson.

Contrôle
Nos ordinateurs quantiques utilisent des jonctions Josephson comme qubits supraconducteurs. En envoyant des photons micro-ondes sur ces qubits, nous pouvons contrôler leur comportement et les amener à conserver, modifier et lire des unités individuelles d'informations quantiques.

Superposition
Un qubit en lui-même n'est pas très utile. Mais il peut réaliser une chose importante : placer les informations quantiques qu'il détient dans un état de superposition, qui représente une combinaison de toutes les configurations possibles du qubit. Des groupes de bits quantiques en superposition peuvent créer des espaces de calcul complexes et multidimensionnels. Les problèmes complexes peuvent être représentés de nouvelles manières dans ces espaces.

Intrication
L'intrication est un effet de mécanique quantique qui corrèle le comportement de deux choses distinctes. Lorsque deux bits quantiques sont intriqués, les modifications apportées à l'un ont un impact direct sur l'autre. Les algorithmes quantiques exploitent ces relations pour trouver des solutions à des problèmes complexes.


L'informatique quantique : battage médiatique et réalité

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Apprendre la programmation informatique quantique

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Les ordinateurs quantiques d'IBM sont programmés à l'aide de Qiskit (lien externe à ibm.com), un logiciel SDK dans Python. Qiskit est un logiciel open source gratuit, fourni avec un manuel complet et un cours d'un semestre.

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