Qu'est-ce que l'informatique quantique ?

La principale différence entre les ordinateurs classiques et quantum est que ces derniers utilisent des qubits au lieu de bits pour stocker exponentiellement plus d’informations. Bien que l’informatique quantique utilise du code binaire, les qubits traitent les informations différemment des ordinateurs classiques. Mais que sont les qubits et d’où viennent-ils ? 

En général, les qubits sont créés en manipulant et en mesurant des particules quantum (les plus petits éléments constitutifs connus de l'univers physique), telles que des photons, des électrons, des ions piégés et des atomes. Les qubits peuvent également concevoir des systèmes qui se comportent comme une particule quantum, comme dans les circuits supraconducteurs.

Pour manipuler ces particules, les qubits doivent être maintenus extrêmement froids afin de minimiser le bruit et d'éviter qu'ils ne fournissent des résultats inexacts ou des erreurs résultant d'une décohérence involontaire. 

Il existe aujourd’hui de nombreux types de qubits utilisés dans l’informatique quantique, certains étant plus adaptés à différents types de tâches. 

Voici quelques-uns des types de qubits les plus courants :

• Qubits supraconducteurs : fabriqués à partir de matériaux supraconducteurs fonctionnant à des températures extrêmement basses, ces qubits sont privilégiés pour leur rapidité d'exécution des calculs et leur contrôle précis. 

• Qubits à ions piégés : les particules ioniques piégées peuvent également être utilisées comme qubits et se distinguent par leurs temps de cohérence prolongés et leurs mesures de haute-fidélité. 

• Points (boîte) quantum : ils sont de petits semi-conducteurs qui capturent un seul électron et l’utilisent comme qubit, offrant un potentiel prometteur d’évolutivité et de compatibilité avec la technologie de semi-conducteurs existante. 

• Photons : les photons sont des particules de lumière individuelles utilisées pour envoyer des informations quantum sur de longues distances via des câbles à fibres optiques et sont actuellement utilisés dans la communication quantum et la cryptographie quantum. 

• Atomes neutres : les atomes neutres courants chargés par des lasers sont bien adaptés à la mise à l’échelle et à l’exécution d'opérations.

Lors du traitement d’un problème complexe, tel que la factorisation d’un grand nombre, les bits traditionnels sont bloqués par les grandes quantités d’informations qu’ils contiennent. Les bits quantum se comportent différemment. Étant donné que les qubits peuvent contenir une superposition, un ordinateur quantum qui utilise des qubits peut aborder le problème d’une manière différente des ordinateurs classiques.

Pour comprendre comment les ordinateurs quantum utilisent les qubits pour résoudre des problèmes complexes, imaginez que vous vous trouvez au centre d'un labyrinthe ardu. Pour sortir du labyrinthe, un ordinateur traditionnel devrait résoudre le problème par « force brute », en essayant toutes les combinaisons de chemins possibles pour trouver la sortie. Ce type d’ordinateur utiliserait des bits pour explorer de nouveaux chemins et se souvenir des voies sans issue.

Par comparaison, un ordinateur quantum pourrait obtenir une vue d'ensemble du labyrinthe, en testant plusieurs chemins simultanément et en utilisant l'interférence quantum pour révéler la bonne solution. Cependant, les qubits ne testent pas plusieurs chemins à la fois ; au lieu de cela, les ordinateurs quantum mesurent les amplitudes de probabilité des qubits pour déterminer un résultat. Ces amplitudes fonctionnent comme des ondes, se chevauchant et interférant les unes avec les autres. Lorsque des ondes asynchrones se chevauchent, cela élimine les solutions possibles à des problèmes complexes, et l’onde ou les ondes cohérentes réalisées présentent la solution. 

Dans l’étude des ordinateurs quantum, il est essentiel de comprendre que la mécanique quantum n’est pas de la physique traditionnelle. Le comportement des particules quantum semble souvent étrange, contre-intuitif, voire impossible. Pourtant, les lois de la mécanique quantum dictent l’ordre du monde naturel.

Décrire le comportement des particules quantum représente un défi unique. La plupart des paradigmes fondés sur le bon sens pour le monde naturel manquent de vocabulaire pour communiquer les comportements surprenants des particules quantum. 

Pour comprendre l’informatique quantique, il est important de comprendre quelques termes clés :

• Superposition
• Intrication
• Décohérence
• Interférence.

Un qubit n'est pas très utile en soi. Mais il peut placer l'information quantum qu'il contient dans un état de superposition, qui représente une combinaison de toutes les configurations possibles du qubit. Les groupes de qubits en superposition peuvent créer des espaces de calcul complexes et multidimensionnels. Les problèmes complexes peuvent être représentés d'une nouvelle manière dans ces espaces.

Cette superposition de qubits confère aux ordinateurs quantum leur parallélisme inhérent, leur permettant de traiter de nombreuses entrées simultanément.

L’intrication est la capacité d’un qubit à corréler son état avec d’autres qubits. Les systèmes intriqués sont si intrinsèquement liés que lorsque les processeurs quantum mesurent un seul qubit intriqué, ils peuvent immédiatement déterminer des informations sur d’autres qubits du système intriqué. 

Lorsqu'un système quantum est mesuré, son état passe d'une superposition de possibilités à un état binaire, qui peut être enregistré comme un code binaire sous la forme d'un zéro ou d'un un. 

La décohérence est le processus par lequel un système à l'état quantum s'effondre pour passer à un état non quantum. Elle peut être déclenchée intentionnellement en mesurant un système quantum ou par d'autres facteurs environnementaux (parfois ces facteurs le déclenchent involontairement). La décohérence permet aux ordinateurs quantum de fournir des mesures et d'interagir avec des ordinateurs classiques. 

Un environnement de qubits intriqués placés dans un état de superposition collective structure l'information d'une manière qui ressemble à des vagues, avec des amplitudes associées à chaque résultat. Ces amplitudes deviennent les probabilités des résultats d'une mesure du système. Ces vagues peuvent se renforcer mutuellement lorsque plusieurs d'entre elles atteignent un résultat particulier, ou s'annuler mutuellement lorsque les pics et les creux interagissent. L'amplification d’une probabilité ou l’annulation d’autres sont deux formes d’interférence.

Pour mieux comprendre l’informatique quantique, il faut considérer que deux idées contre-intuitives peuvent être vraies. Tout d’abord, les objets qui peuvent être mesurés (les qubits en superposition avec des amplitudes de probabilité définies) se comportent de manière aléatoire. La seconde est que des objets trop éloignés pour s'influencer mutuellement, des qubits intriqués, peuvent néanmoins se comporter d'une manière qui, bien qu'aléatoire individuellement, est d'une certaine manière fortement corrélée. 

Un calcul sur un ordinateur quantum fonctionne en préparant une superposition d’états de calcul. Un circuit quantum, préparé par l'utilisateur, utilise des opérations pour générer une intrication, ce qui entraîne des interférences entre ces différents états, selon un algorithme. De nombreux résultats possibles sont annulés par les interférences, tandis que d’autres sont amplifiés. Les résultats amplifiés sont les solutions du calcul.

L’informatique quantique repose sur les principes de la mécanique quantum, qui décrivent comment les particules subatomic se comportent différemment de la physique au niveau macro. Mais comme la mécanique quantum fournit les lois fondamentales de l’ensemble de notre univers, à un niveau subatomic, chaque système est un système quantum.

Pour cette raison, nous pouvons dire que même si les ordinateurs conventionnels sont également construits sur des systèmes quantum, ils ne parviennent pas à tirer pleinement parti des propriétés quantum lors de leurs calculs. Les ordinateurs quantum tirent un meilleur parti de la mécanique quantum pour effectuer des calculs que même les ordinateurs à haute performance ne peuvent pas réaliser. 

Des anciens calculateurs à cartes perforées aux supercalculateurs modernes, les ordinateurs traditionnels (ou classiques) fonctionnent essentiellement de la même manière. Ces machines effectuent généralement des calculs séquentiellement, en stockant les données à l’aide de bits d’information binaires. Chaque bit représente un 0 ou un 1.

Lorsqu’ils sont combinés en code binaire et manipulés à l’aide d’opérations logiques, nous pouvons utiliser ces ordinateurs pour tout créer, des systèmes d’exploitation simples aux calculs de supercalcul les plus avancés. 

Les ordinateurs quantum fonctionnent de la même manière que les ordinateurs classiques, mais au lieu de bits, l'informatique quantique utilise des qubits. Ces qubits sont des systèmes spéciaux qui agissent comme des particules subatomicales composées d’atomes, de circuits électriques supraconducteurs ou d’autres systèmes qui présentent un ensemble d’amplitudes appliquées à la fois à 0 et à 1, plutôt que par deux états (0 ou 1). Ce concept de mécanique quantum complexe est ce que l’on appelle une superposition. Grâce à un processus appelé intrication quantum, ces amplitudes peuvent s'appliquer à plusieurs qubits simultanément.

Informatique classique

• Utilisée par des ordinateurs et appareils courants et polyvalents.
• Stocke les informations sous forme de bits avec un nombre discret d’états possibles, 0 ou 1.
• Traite les données de manière logique et séquentielle. 

Informatique quantique

• Utilisée par du matériel quantum, spécialisé et expérimental basé sur la mécanique quantum.
• Stocke les informations dans des qubits sous forme de 0, 1 ou d’une superposition de 0 et 1.
• Traite les données avec une logique quantum sur des instances parallèles, en s’appuyant sur les interférences.

Les processeurs quantum ne résolvent pas les équations mathématiques de la même manière que les ordinateurs classiques. Contrairement aux ordinateurs classiques qui doivent calculer chaque étape d'un calcul complexe, les circuits quantum constitués de qubits logiques peuvent traiter d'énormes jeux de données simultanément avec différentes opérations, améliorant ainsi l'efficacité de plusieurs ordres de grandeur pour certains problèmes.

Les ordinateurs quantum ont cette capacité, car ils sont probabilistes : ils trouvent la solution la plus probable à un problème, tandis que les ordinateurs traditionnels, quant à eux, sont déterministes : des calculs laborieux sont requis pour déterminer un résultat singulier spécifique pour chaque entrée. 

Alors que les ordinateurs traditionnels fournissent généralement des réponses uniques, les machines quantum probabilistes fournissent généralement des gammes de réponses possibles. Cependant, pour les types de problèmes incroyablement complexes que les ordinateurs quantum pourraient un jour résoudre, ce mode de calcul pourrait potentiellement permettre d'économiser des centaines de milliers d'années de calculs traditionnels. 

Bien que les ordinateurs quantum complets soient bien supérieurs aux ordinateurs classiques pour certains types de problèmes nécessitant de grands jeux de données ou pour résoudre d'autres problèmes, tels que la factorisation avancée des nombres premiers, l'informatique quantique n'est pas la solution idéale pour tous les problèmes, ni même pour la plupart.

De manière réaliste, les ordinateurs classiques continueront d'être utilisés pour la majorité de leurs applications actuelles. Cependant, des ordinateurs quantum connectés au cloud ou des écosystèmes hybrides sont déjà en cours de mise en œuvre pour explorer un large éventail d'applications avancées. À mesure que l’informatique quantique continue de progresser, on peut s’attendre à ce que cette technologie avancée non seulement affecte les secteurs existants, mais potentiellement en débloque également d’autres.  

Bien qu’elle ne soit plus simplement théorique, l’informatique quantique est encore en cours de développement. Alors que les scientifiques du monde entier s’efforcent de découvrir de nouvelles techniques pour améliorer la vitesse, la puissance et l’efficacité des machines quantum, la technologie approche d’un tournant. Nous comprenons l’évolution de l’informatique quantique utile à l’aide des concepts d’avantage et de fonctionnalités quantum.

La fonctionnalité Quantum fait référence à tout calcul quantum qui fournit des solutions fiables et précises à des problèmes qui dépassent la portée des simulateurs de machines quantum classiques de calcul par force brute. Auparavant, ces problèmes n'étaient accessibles qu'aux méthodes d'approximation classiques, généralement des méthodes d'approximation spécifiques au problème, soigneusement conçues pour exploiter les structures uniques d'un problème donné.

Au sens large, le terme « avantage quantum » fait référence à un ordinateur quantum hypothétique capable de surpasser toutes les méthodes classiques de supercalculateurs pour certains problèmes, même les méthodes approximatives. Un ordinateur quantum capable d’atteindre l’avantage quantum devrait être en mesure d’offrir un avantage pratique significatif au-delà de toutes les méthodes informatiques classiques connues : calculer des solutions d’une manière moins chère, plus rapide ou plus précise que toutes les alternatives classiques disponibles.

L’informatique quantique offrant désormais une alternative viable à l’approche classique pour certains problèmes, les chercheurs affirment qu’il s’agit d’un outil utile pour l’exploration scientifique, ou qu’il a une fonctionnalité. La fonctionnalité quantum ne constitue pas une affirmation selon laquelle les méthodes quantum ont atteint une accélération prouvée par rapport à toutes les méthodes classiques connues. C'est une différence majeure par rapport au concept d'avantage quantum.

En 2019, les principaux chercheurs de l'équipe quantum d'IBM ont inventé un indicateur connu sous le nom de volume quantum pour attribuer une mesure singulière et calculable de la capacité d'un ordinateur quantum.

Le volume quantum mesure le plus grand circuit quantum capable de réussir un test de volume quantum. Le test de volume quantum demande à l'ordinateur quantum de faire fonctionner un circuit avec des gates aléatoires et de mesurer la fréquence à laquelle les circuits produisent les résultats attendus. Cependant, alors que nous continuons à développer les processeurs quantum, il devient évident que nous avons besoin de plus qu'un simple volume quantum pour encapsuler complètement les performances des ordinateurs quantum à grande échelle. 

Bien que le volume quantum reste l’un des rares moyens de mesurer les erreurs dans un système quantum, l'équipe IBM a introduit deux indicateurs supplémentaires pour mieux évaluer les ordinateurs quantum, la fidélité des couches et les opérations de couche de circuit par seconde (CLOPS). 

La fidélité des couches, un test de performances, permet d’encapsuler la capacité de l’ensemble du processeur quantum à exécuter des circuits tout en révélant des informations sur les qubits, les gates et la diaphonie. En exécutant le protocole de fidélité des couches, les chercheurs peuvent qualifier le dispositif quantum global, tout en ayant accès à des informations granulaires sur les performances et les erreurs sur les composants individuels. 

Outre la fidélité des couches, IBM a également défini un indicateur de vitesse, les opérations de couche de circuit par seconde (CLOPS). Actuellement, CLOPS est un indicateur de la rapidité avec laquelle nos processeurs peuvent exécuter des circuits de volume quantum en série, agissant comme un indicateur de la vitesse d’un système holistique intégrant l’informatique quantique et classique.

La fidélité des couches et le CLOPS offrent une nouvelle façon de comparer les systèmes qui est plus significative pour les personnes qui essaient d’améliorer et d’utiliser notre matériel. Ces indicateurs faciliteront la comparaison des systèmes entre eux, la comparaison de nos systèmes avec d'autres architectures et la prise en compte des gains de performance à toutes les échelles.

Un processeur IBM quantum est une puce à peine plus grande que les circuits intégrés au silicium trouvés dans un ordinateur portable. Cependant, les systèmes matériels quantum modernes, utilisés pour maintenir les instruments à une température ultra-froide, ainsi que les composants électroniques placés à température ambiante pour contrôler le système et traiter les données quantum, ont la taille d’une voiture moyenne.

Si l'encombrement d'un système matériel quantum complet rend la plupart des ordinateurs quantum tout sauf portables, les chercheurs et les informaticiens peuvent toujours accéder à des capacités d'informatique quantique hors site grâce au cloud computing. Les principaux composants matériels d’un ordinateur quantum sont les suivants :

Composées de qubits disposés dans diverses configurations pour permettre la communication, les puces quantum, également appelées plan de données quantum, agissent comme le cerveau de l’ordinateur quantum.

Composant central d'un ordinateur quantum, le processeur quantum contient les qubits physiques du système et les structures nécessaires pour les maintenir en place. Les unités de traitement quantum (QPU) comprennent la puce quantum, l'électronique de contrôle et le matériel de calcul classique nécessaire pour les entrées et les sorties.

Votre ordinateur de bureau utilise probablement un ventilateur pour refroidir suffisamment son système pour qu'il fonctionne. Les processeurs quantum doivent être très froids, environ un centième de degré au-dessus du zéro absolu, pour minimiser le bruit et éviter la décohérence afin de conserver leur état quantum. Cette température très basse est atteinte grâce à des superfluides surrefroidis. À ces températures, certains matériaux présentent un effet quantum important : les électrons les traversent sans résistance. Cet effet les rend supraconducteurs.  

Lorsque les matériaux deviennent supraconducteurs, leurs électrons se correspondent, formant des paires de Cooper. Ces paires peuvent transporter une charge à travers des barrières, ou des isolants, via un processus connu sous le nom de tunnel quantum. Deux superconducteurs placés de chaque côté d'un isolant forment une jonction Josephson, un élément clé du matériel informatique quantique.

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