Dix ans plus tard, personne ne sait quand

Une personne moins informée qui a lu tout un tas de publications sur les ordinateurs quantiques peut avoir l'impression qu'il s'agit de machines « prêtes à l'emploi » qui fonctionnent de la même manière que les ordinateurs ordinaires. Rien ne pourrait être plus faux. Certains pensent même qu'il n'existe pas encore d'ordinateurs quantiques. Et d'autres se demandent à quoi ils vont servir, puisqu'ils ne sont pas conçus pour remplacer les systèmes zéro-un.

Nous entendons souvent dire que les premiers ordinateurs quantiques réels et fonctionnant correctement apparaîtront dans environ une décennie. Cependant, comme Linley Gwennap, analyste en chef du groupe Linley, l'a noté dans l'article, "quand les gens disent qu'un ordinateur quantique apparaîtra dans dix ans, ils ne savent pas quand cela arrivera".

Malgré cette situation floue, l'atmosphère de compétition pour les soi-disant. domination quantique. Préoccupée par le travail quantique et le succès des Chinois, l'administration américaine a voté en décembre dernier le National Quantum Initiative Act (1). Le document vise à fournir un soutien fédéral à la recherche, au développement, à la démonstration et à l'application de l'informatique et des technologies quantiques. Dans dix ans magiques, le gouvernement américain dépensera des milliards pour construire une infrastructure informatique quantique, des écosystèmes et recruter des gens. Tous les principaux développeurs d'ordinateurs quantiques - D-Wave, Honeywell, IBM, Intel, IonQ, Microsoft et Rigetti, ainsi que les créateurs d'algorithmes quantiques 1QBit et Zapata s'en sont félicités. Initiative quantique nationale.

Pionniers D-WAve

En 2007, D-Wave Systems a introduit une puce de 128 qubits (2), est appelé premier ordinateur quantique au monde. Cependant, il n'y avait aucune certitude si cela pouvait s'appeler ainsi - seul son travail était montré, sans aucun détail de sa construction. En 2009, D-Wave Systems a développé un moteur de recherche d'images "quantique" pour Google. En mai 2011, Lockheed Martin a acquis un ordinateur quantique de D-Wave Systems. Onde D un pour 10 millions de dollars, tout en signant un contrat pluriannuel pour son exploitation et le développement des algorithmes associés.

En 2012, cette machine a démontré le processus de recherche de la molécule de protéine hélicoïdale avec la plus faible énergie. Les chercheurs de D-Wave Systems utilisent des systèmes avec des nombres différents qubits, a effectué un certain nombre de calculs mathématiques, dont certains étaient bien au-delà des capacités des ordinateurs classiques. Cependant, début 2014, John Smolin et Graham Smith ont publié un article affirmant que la machine D-Wave Systems n'était pas une machine. Peu de temps après, Physics of Nature a présenté les résultats d'expériences prouvant que D-Wave One est toujours ...

Un autre test en juin 2014 n'a montré aucune différence entre un ordinateur classique et une machine D-Wave Systems, mais la société a répondu que la différence n'était perceptible que pour les tâches plus complexes que celles résolues dans le test. Début 2017, la société a dévoilé une machine apparemment composée de 2 mille qubitsqui était 2500 fois plus rapide que les algorithmes classiques les plus rapides. Et encore une fois, deux mois plus tard, un groupe de scientifiques a prouvé que cette comparaison n'était pas exacte. Pour de nombreux sceptiques, les systèmes D-Wave ne sont toujours pas des ordinateurs quantiques, mais leur simulations utilisant des méthodes classiques.

Le système D-Wave de quatrième génération utilise recuits quantiqueset les états d'un qubit sont réalisés par des circuits quantiques supraconducteurs (basés sur les jonctions dites Josephson). Ils fonctionnent dans un environnement proche du zéro absolu et disposent d'un système de 2048 qubits. Fin 2018, D-Wave a introduit sur le marché REBONDIR, c'est votre environnement d'application quantique en temps réel (KAE). La solution cloud offre aux clients externes un accès en temps réel à l'informatique quantique.

En février 2019, D-Wave a annoncé la prochaine génération  Pégase. Il a été annoncé comme "le système quantique commercial le plus étendu au monde" avec quinze connexions par qubit au lieu de six, avec plus de 5 qubits et activer la réduction du bruit à un niveau précédemment inconnu. L'appareil devrait apparaître en vente au milieu de l'année prochaine.

Qubits, ou superpositions plus intrication

Les processeurs informatiques standard reposent sur des paquets ou des éléments d'information, chacun représentant une seule réponse oui ou non. Les processeurs quantiques sont différents. Ils ne fonctionnent pas dans un monde zéro-un. os du coude, la plus petite et indivisible unité d'information quantique est le système bidimensionnel décrit Espace Hilbert. Par conséquent, il diffère du rythme classique en ce qu'il peut être en toute superposition deux états quantiques. Le modèle physique d'un qubit est le plus souvent donné comme exemple d'une particule de spin ½, comme un électron, ou la polarisation d'un seul photon.

Pour exploiter la puissance des qubits, vous devez les connecter via un processus appelé confusion. Avec chaque qubit ajouté, la puissance de traitement du processeur double se, puisque le nombre d'intrications s'accompagne de l'intrication d'un nouveau qubit avec tous les états déjà disponibles dans le processeur (3). Mais créer et combiner des qubits, puis leur dire d'effectuer des calculs complexes n'est pas une tâche facile. Ils restent extrêmement sensible aux influences extérieuresce qui peut conduire à des erreurs de calcul et, dans le pire des cas, à la désintégration des qubits intriqués, c'est-à-dire décohérencequi est la véritable malédiction des systèmes quantiques. À mesure que des qubits supplémentaires sont ajoutés, les effets néfastes des forces externes augmentent. Une façon de résoudre ce problème consiste à activer des qubits "Contrôle"dont la seule fonction est de vérifier et de corriger la sortie.

3. Représentation symbolique du système IBM à 50 qubits

Cependant, cela signifie que des ordinateurs quantiques plus puissants seront nécessaires, utiles pour résoudre des problèmes complexes, tels que déterminer comment les molécules de protéines se replient ou simuler les processus physiques à l'intérieur des atomes. beaucoup de qubits. Tom Watson de l'Université de Delft aux Pays-Bas a récemment déclaré à BBC News :

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En bref, si les ordinateurs quantiques doivent décoller, vous devez trouver un moyen simple de produire des processeurs qubit volumineux et stables.

Comme les qubits sont instables, il est extrêmement difficile de créer un système avec beaucoup d'entre eux. Donc, si, à la fin, les qubits en tant que concept d'informatique quantique échouent, les scientifiques ont une alternative : les portes quantiques qubit.

Une équipe de l'Université Purdue a publié une étude dans npj Quantum Information détaillant leur création. Les scientifiques croient que kuditscontrairement aux qubits, ils peuvent exister dans plus de deux états - par exemple, 0, 1 et 2 - et pour chaque état ajouté, la puissance de calcul d'un qudit augmente. En d'autres termes, vous devez encoder et traiter la même quantité d'informations. moins de gloire que les qubits.

Pour créer des portes quantiques contenant des qudits, l'équipe de Purdue a codé quatre qudits en deux photons intriqués en termes de fréquence et de temps. L'équipe a choisi les photons parce qu'ils n'affectent pas l'environnement aussi facilement, et l'utilisation de plusieurs domaines a permis plus d'enchevêtrement avec moins de photons. La porte finie avait une puissance de traitement de 20 qubits, même si elle ne nécessitait que quatre qudits, avec une stabilité accrue due à l'utilisation de photons, ce qui en faisait un système prometteur pour les futurs ordinateurs quantiques.

Pièges à silicium ou à ions

Bien que tout le monde ne partage pas cet avis, l'utilisation du silicium pour créer des ordinateurs quantiques semble avoir d'énormes avantages, puisque la technologie du silicium est bien établie et qu'une grande industrie y est déjà associée. Le silicium est utilisé dans les processeurs quantiques Google et IBM, bien qu'il y soit refroidi à des températures très basses. Ce n'est pas un matériau idéal pour les systèmes quantiques, mais les scientifiques y travaillent.

Selon une publication récente dans Nature, une équipe de chercheurs a utilisé l'énergie des micro-ondes pour aligner deux particules d'électrons en suspension dans du silicium, puis les a utilisées pour effectuer une série de calculs de test. Le groupe, qui comprenait notamment des scientifiques de l'Université du Wisconsin-Madison, a "suspendu" des qubits électroniques uniques dans une structure en silicium, dont le spin était déterminé par l'énergie du rayonnement micro-onde. Dans une superposition, un électron tournait simultanément autour de deux axes différents. Les deux qubits ont ensuite été combinés et programmés pour effectuer des calculs de test, après quoi les chercheurs ont comparé les données générées par le système avec les données reçues d'un ordinateur standard effectuant les mêmes calculs de test. Après correction des données, un processeur de silicium quantique à deux bits.

Bien que le pourcentage d'erreurs soit encore beaucoup plus élevé que dans les pièges à ions (dispositifs dans lesquels des particules chargées telles que des ions, des électrons, des protons sont stockées pendant un certain temps) ou des ordinateurs  basé sur des supraconducteurs tels que D-Wave, la réalisation reste remarquable car isoler les qubits du bruit externe est extrêmement difficile. Les spécialistes voient des opportunités de mise à l'échelle et d'amélioration du système. Et l'utilisation du silicium, d'un point de vue technologique et économique, revêt ici une importance capitale.

Cependant, pour de nombreux chercheurs, le silicium n'est pas l'avenir des ordinateurs quantiques. En décembre de l'année dernière, des informations sont apparues selon lesquelles les ingénieurs de la société américaine IonQ ont utilisé l'ytterbium pour créer l'ordinateur quantique le plus productif au monde, dépassant les systèmes D-Wave et IBM.

Le résultat était une machine qui contenait un seul atome dans un piège à ions (4) utilise un seul qubit de données pour l'encodage, et les qubits sont contrôlés et mesurés à l'aide d'impulsions laser spéciales. L'ordinateur a une mémoire qui peut stocker 160 qubits de données. Il peut également effectuer des calculs simultanément sur 79 qubits.

4. Schéma du piège à ions IonQ

Les scientifiques d'IonQ ont effectué un test standard du soi-disant Algorithme de Bernstein-Vaziranien. La tâche de la machine était de deviner un nombre entre 0 et 1023. Les ordinateurs classiques prennent onze suppositions pour un nombre de 10 bits. Les ordinateurs quantiques utilisent deux approches pour deviner le résultat avec une certitude de 100 %. Lors de la première tentative, l'ordinateur quantique IonQ a deviné une moyenne de 73% des nombres donnés. Lorsque l'algorithme est exécuté pour n'importe quel nombre compris entre 1 et 1023, le taux de réussite pour un ordinateur normal est de 0,2 %, tandis que pour IonQ, il est de 79 %.

Les experts d'IonQ estiment que les systèmes basés sur des pièges à ions sont supérieurs aux ordinateurs quantiques en silicium que Google et d'autres entreprises construisent. Leur matrice de 79 qubits surpasse de 7 qubits le processeur quantique Bristlecone de Google. Le résultat IonQ est également sensationnel en ce qui concerne la disponibilité du système. Selon les créateurs de la machine, pour un seul qubit, il reste à 99,97%, ce qui signifie un taux d'erreur de 0,03%, alors que les meilleurs résultats de la concurrence tournent en moyenne autour de 0,5%. Le taux d'erreur sur 99,3 bits pour l'appareil IonQ devrait être de 95 %, alors que la plupart des concurrents ne dépassent pas XNUMX %.

Il convient d'ajouter que, selon les chercheurs de Google suprématie quantique – le point auquel un ordinateur quantique surpasse toutes les autres machines disponibles – peut déjà être atteint avec un ordinateur quantique à 49 qubits, à condition que le taux d'erreur sur les portes à deux qubits soit inférieur à 0,5 %. Cependant, la méthode du piège à ions en informatique quantique doit encore surmonter des obstacles majeurs : un temps d'exécution lent et une taille énorme, ainsi que la précision et l'évolutivité de la technologie.

Bastion des chiffres en ruines et autres conséquences

En janvier 2019, au CES 2019, le PDG d'IBM, Ginni Rometty, a annoncé qu'IBM proposait déjà un système informatique quantique intégré à usage commercial. Ordinateurs quantiques IBM5) sont physiquement situés à New York dans le cadre du système IBM Q System One. À l'aide du Q Network et du Q Quantum Computational Center, les développeurs peuvent facilement utiliser le logiciel Qiskit pour compiler des algorithmes quantiques. Ainsi, la puissance de calcul des ordinateurs quantiques d'IBM est disponible en service d'informatique en nuage, prix raisonnable.

D-Wave fournit également de tels services depuis un certain temps maintenant, et d'autres acteurs majeurs (comme Amazon) prévoient des offres de cloud quantique similaires. Microsoft est allé plus loin avec l'introduction Langage de programmation Q# (prononcé comme) qui peut fonctionner avec Visual Studio et s'exécuter sur un ordinateur portable. Les programmeurs disposent d'un outil pour simuler des algorithmes quantiques et créer un pont logiciel entre l'informatique classique et l'informatique quantique.

Cependant, la question est de savoir à quoi peuvent réellement servir les ordinateurs et leur puissance de calcul ? Dans une étude publiée en octobre dernier dans la revue Science, des scientifiques d'IBM, de l'Université de Waterloo et de l'Université technique de Munich ont tenté d'approximer les types de problèmes que les ordinateurs quantiques semblent les mieux à même de résoudre.

Selon l'étude, de tels dispositifs seront capables de résoudre des problèmes complexes algèbre linéaire et problèmes d'optimisation. Cela semble vague, mais il peut y avoir des opportunités de solutions plus simples et moins coûteuses à des problèmes qui nécessitent actuellement beaucoup d'efforts, de ressources et de temps, et qui sont parfois hors de notre portée.

5. Ordinateur quantique IBM

L'informatique quantique utile changer diamétralement le domaine de la cryptographie. Grâce à eux, les codes de cryptage pourraient être rapidement piratés et, éventuellement, la technologie blockchain sera détruite. Le chiffrement RSA semble désormais être une défense solide et indestructible qui protège la plupart des données et des communications dans le monde. Cependant, un ordinateur quantique suffisamment puissant peut facilement cracker le cryptage RSA par Algorithme de Shora.

Comment l'empêcher ? Certains préconisent d'augmenter la longueur des clés de chiffrement publiques à la taille nécessaire pour surmonter le déchiffrement quantique. Pour d'autres, il doit être utilisé seul pour assurer des communications sécurisées. Grâce à la cryptographie quantique, le simple fait d'intercepter les données les corromprait, après quoi la personne interférant avec la particule ne pourrait pas en obtenir d'informations utiles, et le destinataire serait averti de la tentative d'écoute clandestine.

Les applications potentielles de l'informatique quantique sont également fréquemment mentionnées. analyse et prévision économique. Grâce aux systèmes quantiques, les modèles complexes de comportement du marché peuvent être étendus pour inclure beaucoup plus de variables qu'auparavant, ce qui conduit à des diagnostics et des prévisions plus précis. En traitant simultanément des milliers de variables par un ordinateur quantique, il serait également possible de réduire le temps et le coût nécessaires au développement. nouveaux médicaments, solutions de transport et de logistique, chaînes d'approvisionnement, modèles climatiquesainsi que pour résoudre de nombreux autres problèmes d'une complexité gigantesque.

La loi de Nevena

Le monde des anciens ordinateurs avait sa propre loi de Moore, tandis que les ordinateurs quantiques doivent être guidés par la soi-disant La loi de Nevena. Il doit son nom à l'un des plus éminents spécialistes quantiques de Google, Hartmut Nevena (6), qui indique que les progrès de la technologie informatique quantique sont actuellement réalisés dans vitesse exponentielle double.

Cela signifie qu'au lieu de doubler les performances avec des itérations successives, comme c'était le cas avec les ordinateurs classiques et la loi de Moore, la technologie quantique améliore les performances beaucoup plus rapidement.

Les experts prédisent l'avènement de la supériorité quantique, qui peut se traduire non seulement par la supériorité des ordinateurs quantiques sur tous les ordinateurs classiques, mais aussi par d'autres moyens - comme le début d'une ère d'ordinateurs quantiques utiles. Cela ouvrira la voie à des percées dans les domaines de la chimie, de l'astrophysique, de la médecine, de la sécurité, des communications, etc.

Cependant, il existe également une opinion selon laquelle une telle supériorité n'existera jamais, du moins pas dans un avenir prévisible. Une version plus douce du scepticisme est que les ordinateurs quantiques ne remplaceront jamais les ordinateurs classiques car ils ne sont pas conçus pour le faire. Vous ne pouvez pas remplacer un iPhone ou un PC par une machine quantique, tout comme vous ne pouvez pas remplacer des chaussures de tennis par un porte-avions nucléaire.. Les ordinateurs classiques vous permettent de jouer à des jeux, de consulter vos e-mails, de surfer sur le Web et d'exécuter des programmes. Les ordinateurs quantiques effectuent dans la plupart des cas des simulations trop complexes pour les systèmes binaires fonctionnant sur des bits informatiques. En d'autres termes, les consommateurs individuels ne tireront presque aucun avantage de leur propre ordinateur quantique, mais les véritables bénéficiaires de l'invention seront, par exemple, la NASA ou le Massachusetts Institute of Technology.

Le temps nous dira quelle approche est la plus appropriée - IBM ou Google. Selon la loi de Neven, nous ne sommes qu'à quelques mois de voir une démonstration complète de supériorité quantique par une équipe ou une autre. Et ce n'est plus une perspective « dans dix ans, c'est-à-dire on ne sait quand ».