Expliqué | Les défis de l’informatique quantique

L’histoire jusqu’ici: L’attrait des ordinateurs quantiques (QC) est leur capacité à tirer parti de la physique quantique pour résoudre des problèmes trop complexes pour les ordinateurs qui utilisent la physique classique. Le prix Nobel de physique 2022 a été décerné pour des travaux qui ont rigoureusement testé une telle expérience et ouvert la voie à ses applications en informatique, ce qui témoigne de l’importance contemporaine des CQ. Plusieurs instituts, entreprises et gouvernements ont investi dans le développement de systèmes d’informatique quantique, allant des logiciels pour résoudre divers problèmes à la science électromagnétique et des matériaux qui permet d’étendre leurs capacités matérielles. Rien qu’en 2021, le gouvernement indien a lancé une mission nationale pour étudier les technologies quantiques avec une allocation de 8 000 crores ; l’armée a ouvert un centre de recherche quantique dans le Madhya Pradesh ; et le Département des sciences et de la technologie a co-lancé une autre installation à Pune. Compte tenu du large éventail d’applications, comprendre ce que sont réellement les QC est crucial pour éviter la désinformation qui l’entoure et développer des attentes plus proches de la réalité.

Comment un ordinateur utilise-t-il la physique ?

Un objet macroscopique comme un ballon, une chaise ou une personne ne peut se trouver qu’à un seul endroit à la fois ; cet emplacement peut être prédit avec précision ; et les effets des objets sur son environnement ne peuvent pas être transmis plus rapidement qu’à la vitesse de la lumière. C’est l’expérience classique de la réalité.

Par exemple, vous pouvez observer une balle voler dans les airs et tracer sa trajectoire selon les lois de Newton. Vous pouvez prédire exactement où la balle sera à un moment donné. Si la balle touche le sol, vous la verrez le faire pendant le temps qu’il faut à la lumière pour traverser l’atmosphère jusqu’à vous.

La physique quantique décrit la réalité à l’échelle subatomique, où les objets sont des particules comme des électrons. Dans ce domaine, vous ne pouvez pas localiser l’emplacement d’un électron. Vous pouvez seulement savoir qu’il sera présent dans un volume d’espace donné, avec une probabilité attachée à chaque point du volume comme 10% au point A et 5% au point B. Lorsque vous sondez ce volume de manière plus forte, vous pourrait trouver l’électron au point B. Si vous sondez à plusieurs reprises ce volume, vous trouverez l’électron au point B 5% du temps.

Il existe de nombreuses interprétations des lois de la physique quantique. L’une est l’interprétation de Copenhague, qu’Erwin Schrdinger a popularisée à l’aide d’une expérience de pensée qu’il a conçue en 1935. Il y a un chat dans une boîte fermée avec un bol de poison. Il n’y a aucun moyen de savoir si le chat est vivant ou mort sans ouvrir la boîte. A cette époque, on dit que le chat existe dans une superposition de deux états : vivant et mort. Lorsque vous ouvrez la boîte, vous forcez la superposition à se réduire à un seul état. L’état auquel il s’effondre dépend de la probabilité de chaque état.

De même, lorsque vous sondez le volume, vous forcez la superposition des états des électrons à se réduire à un en fonction de la probabilité de chaque état. (Remarque : Il s’agit d’un exemple simpliste pour illustrer un concept.)

L’autre expérience pertinente pour l’informatique quantique est l’intrication. Lorsque deux particules sont intriquées puis séparées d’une distance arbitraire (même supérieure à 1 000 km), faire une observation sur une particule, et ainsi provoquer l’effondrement de sa superposition, entraînera instantanément l’effondrement de la superposition de l’autre particule également. Ce phénomène semble violer la notion selon laquelle la vitesse de la lumière est la limite de vitesse ultime de l’univers. Autrement dit, la deuxième superposition de particules s’effondrera en un seul état en moins de trois centièmes de seconde, ce qui correspond au temps que la lumière met pour parcourir 1 000 km. (Remarque : l’interprétation de plusieurs mondes a gagné en popularité par rapport à l’interprétation de Copenhague. Ici, il n’y a pas d’effondrement, supprimant automatiquement certains de ces problèmes déroutants.)

Comment un ordinateur utiliserait-il la superposition ?

Le bit est l’unité fondamentale d’un ordinateur classique. Sa valeur est 1 si un transistor correspondant est passant et 0 si le transistor est bloqué. Le transistor peut être dans l’un des deux états à la fois activé ou désactivé, de sorte qu’un bit peut avoir l’une des deux valeurs à la fois, 0 ou 1.

Le qubit est l’unité fondamentale d’un QC. C’est typiquement une particule comme un électron. (Google et IBM sont connus pour utiliser des transmons, où des paires d’électrons liés oscillent entre deux supraconducteurs pour désigner les deux états.) Certaines informations sont directement codées sur le qubit : si le spin d’un électron pointe vers le haut, cela signifie 1 ; lorsque le spin pointe vers le bas, cela signifie 0.

Mais au lieu d’être 1 ou 0, l’information est codée dans une superposition : disons, 45 % 0 plus 55 % 1. Ceci est totalement différent des deux états séparés de 0 et 1 et est un troisième type d’état.

Les qubits sont intriqués pour s’assurer qu’ils fonctionnent ensemble. Si un qubit est sondé pour révéler son état, certains ou tous les autres qubits le seront également, selon le calcul effectué. La sortie finale de l’ordinateur est l’état dans lequel tous les qubits se sont effondrés.

Un qubit peut coder deux états. Cinq qubits peuvent encoder 32 états. Un ordinateur avec N qubits peut encoder 2N états alors qu’un ordinateur avec N transistors ne peut encoder que 2N états. Ainsi, un ordinateur basé sur des qubits peut accéder à plus d’états qu’un ordinateur basé sur des transistors, et ainsi accéder à plus de voies de calcul et de solutions à des problèmes plus complexes.

Comment se fait-il que vous ne les utilisiez pas ?

Les chercheurs ont découvert les bases et utilisé des CQ pour modéliser l’énergie de liaison des liaisons hydrogène et simuler un modèle de trou de ver. Mais pour résoudre la plupart des problèmes pratiques, comme trouver la forme d’une drogue non découverte, explorer l’espace de manière autonome ou factoriser de grands nombres, ils sont confrontés à des défis difficiles.

Un QC pratique et fiable nécessite au moins 1 000 qubits. Le plus gros processeur quantique actuel compte 433 qubits. Il n’y a pas de limites théoriques sur les processeurs plus grands ; la barrière est liée à l’ingénierie.

Les qubits existent en superposition dans des conditions spécifiques, notamment à très basse température (~0,01 K), avec une protection contre les radiations et une protection contre les chocs physiques. Tapez votre doigt sur la table et les états du qubit assis dessus pourraient s’effondrer. Des défauts matériels ou électromagnétiques dans les circuits entre les qubits pourraient également corrompre leurs états et biaiser le résultat final. Les chercheurs n’ont pas encore construit de CQ qui éliminent complètement ces perturbations dans les systèmes de quelques dizaines de qubits.

La correction des erreurs est également délicate. Le théorème de non-clonage stipule qu’il est impossible de cloner parfaitement les états d’un qubit, ce qui signifie que les ingénieurs ne peuvent pas créer une copie des états d’un qubit dans un système classique pour contourner le problème. Une solution consiste à emmêler chaque qubit avec un groupe de qubits physiques qui corrigent les erreurs. Un qubit physique est un système qui imite un qubit. Mais une correction d’erreur fiable nécessite que chaque qubit soit attaché à des milliers de qubits physiques.

Les chercheurs doivent également créer des CQ qui n’amplifient pas les erreurs lorsque davantage de qubits sont ajoutés. Ce défi est lié à un problème fondamental : à moins que le taux d’erreurs ne soit maintenu sous un certain seuil, plus de qubits ne feront qu’augmenter le bruit informationnel.

Des QC pratiques et fiables nécessiteront au moins des centaines de milliers de qubits, fonctionnant avec des circuits supraconducteurs qui n’étaient pas encore construits en dehors d’autres composants tels que le micrologiciel, l’optimisation des circuits, les compilateurs et les algorithmes qui utilisent les possibilités de la physique quantique. La suprématie quantique elle-même, un QC faisant quelque chose qu’un ordinateur classique ne peut pas faire, est donc à au moins des décennies.

Les milliards investis aujourd’hui dans cette technologie reposent sur des bénéfices spéculatifs, tandis que les entreprises qui promettent aux développeurs l’accès aux circuits quantiques sur le cloud proposent souvent des qubits physiques avec des taux d’erreur notables.

Le lecteur intéressé peut construire et simuler des circuits quantiques rudimentaires à l’aide d’IBM Quantum Composer dans le navigateur.

• L’attrait des ordinateurs quantiques (QC) est leur capacité à tirer parti de la physique quantique pour résoudre des problèmes trop complexes pour les ordinateurs qui utilisent la physique classique.

• La physique quantique décrit la réalité à l’échelle subatomique, où les objets sont des particules comme des électrons. Dans ce domaine, vous ne pouvez pas localiser l’emplacement d’un électron. Vous pouvez seulement savoir qu’il sera présent dans un volume d’espace donné, avec une probabilité attachée à chaque point du volume.

• Les chercheurs ont découvert les bases et utilisé des CQ pour modéliser l’énergie de liaison des liaisons hydrogène et simuler un modèle de trou de ver. Mais pour résoudre la plupart des problèmes pratiques, comme trouver la forme d’une drogue non découverte, explorer l’espace de manière autonome ou factoriser de grands nombres, ils sont confrontés à des défis difficiles.