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 à la disposition de milliers de développeurs un véritable matériel quantique – un outil que les scientifiques ont commencé à imaginer il y a seulement trois décennies. Nos ingénieurs fournissent à intervalles réguliers des processeurs quantiques supraconducteurs de plus en plus puissants, ainsi que des avancées cruciales en matière de logiciels et d'orchestration quantique-classique. Ce travail permet 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 supercalculateurs ont du mal à résoudre certains types de problèmes.

Si un supercalculateur est en panne, c'est probablement parce qu'on a demandé à la grosse machine classique de résoudre un problème d'une grande complexité. 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 d'atomes individuels dans une molécule est un problème complexe, car tous les différents électrons 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 peut être excellent pour des tâches difficiles comme le tri dans une grande base de données de séquences de protéines, mais avoir du mal à voir les modèles 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. A 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 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 en fait 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.


Rendre les ordinateurs quantiques utiles

IBM Quantum est le leader mondial de la construction de matériel quantique. Notre feuille de route est un plan clair et détaillé pour mettre à l'échelle les processeurs quantiques, surmonter les problèmes de mise à l'échelle et construire le matériel nécessaire à l'avantage quantique.

Mais l'avantage quantique ne sera pas atteint avec le seul matériel. IBM a également passé des années à perfectionner les logiciels qui seront nécessaires pour effectuer des travaux utiles à l'aide d'ordinateurs quantiques. Nous avons développé le SDK quantique Qiskit. C'est un SDK open-source, basé sur python et de loin le SDK quantique le plus utilisé au monde. Nous avons également développé Qiskit Runtime, le modèle de programmation quantique le plus puissant au monde. (Pour en savoir plus sur Qiskit et Qiskit Runtime, et comment commencer, voir la section suivante).

Pour obtenir un avantage quantique, il faudra trouver de nouvelles méthodes pour supprimer les erreurs, augmenter la vitesse et orchestrer les ressources quantiques et classiques. Les bases de ce travail sont posées aujourd'hui dans Qiskit Runtime.


Pour commencer

Les ordinateurs quantiques d'IBM sont programmés à l'aide de Qiskit (lien externe à ibm.com), notre SDK quantique open-source basé sur python. Qiskit dispose de modules dédiés à la finance, à la chimie, à l'optimisation et à l'apprentissage automatique.

  • Consultez la documentation (lien externe à ibm.com) pour démarrer rapidement et en savoir plus sur notre suite d'outils de développement.
  • Construisez des codes de niveau recherche et développement pour les exécuter sur des simulateurs ou du matériel réel.
  • Rejoignez notre communauté grandissante de plus de 400 000 utilisateurs.

Prêt pour des charges de travail plus importantes ? Exécutez à grande échelle avec Qiskit Runtime, notre modèle de programmation quantique pour construire et mettre à l'échelle efficacement les charges de travail. Qiskit Runtime permet aux utilisateurs de déployer des applications quantiques-classiques personnalisées avec un accès facile aux calculs hybrides HPC sur les systèmes quantiques les plus performants au monde. Qiskit Runtime fournit un environnement d'exécution permettant de tisser des circuits quantiques avec des traitements classiques, accélérant ainsi nativement l'exécution de certains programmes quantiques. Cela signifie une itération plus rapide, une latence réduite et un temps de calcul plus libre sur les principaux systèmes quantiques du monde : le modèle d'exécution basé sur le cloud de Qiskit Runtime a démontré une accélération de 120x dans la simulation du comportement moléculaire.