Explorer l’informatique quantique | Aperçus | Hollande & Chevalier

Une grande partie de nos vies dépend de l’informatique, et l’informatique quantique a le potentiel de bouleverser le cryptage sur lequel nous comptons, ainsi que les domaines d’études scientifiques. Cet article explore cette forme d’informatique passionnante et entièrement nouvelle et comment elle permet de résoudre une variété de problèmes actuellement insolubles.

I. L’informatique classique : où en sommes-nous aujourd’hui ?

Tout d’abord, nous devrions revenir rapidement sur « l’informatique classique ». L’informatique classique couvre tous les ordinateurs avec lesquels nous interagissons aujourd’hui, de nos ordinateurs portables à nos smartphones. L’histoire de l’informatique classique est une histoire d’ingéniosité humaine, où nous utilisons tout ce qui est à notre portée pour compter et accélérer les calculs.

Et les doigts sont l’endroit idéal pour commencer. Notre système numérique est en base 10, ce qui signifie que nous utilisons dix chiffres (0-9) avant d’avoir besoin d’un deuxième chiffre pour décrire le nombre suivant (10). Nous tenons pour acquis que nous comptons par dizaines, mais il n’était pas nécessaire qu’il en soit ainsi. Les ordinateurs classiques, par exemple, fonctionnent en Base-2 car ils ne peuvent reconnaître et utiliser que 0 et 1. Une fois qu’ils ont dépassé les chiffres 0 et 1, les ordinateurs classiques ont besoin d’un autre chiffre. (Les ordinateurs classiques notent 2 avec « 10 », et vous pouvez jouer avec ces conversions ici.) La raison pour laquelle nous comptons par dizaines est que nous avons dix doigts (même si quatre doigts sur chaque main auraient pu fonctionner).

Nos mains sont nos premiers ordinateurs. Quiconque a aidé un enfant à apprendre à additionner ou à soustraire l’a vu recourir à la référence à ses doigts, et les nombres supérieurs à dix vous obligent généralement à lever quelques doigts pour aider. La façon dont vous comptez avec vos doigts peut même révéler où vous avez grandi (en Corée, la méthode Chisanbop fait monter vos deux mains jusqu’à 99), mais tout le monde dans le monde regarde ses mains pour effectuer des calculs de base.

Finalement, nous avons trouvé d’autres matériaux avec lesquels nous pouvions calculer des nombres. Nous pourrions, bien sûr, toujours utiliser des objets autres que les doigts pour représenter les nombres. L’abaque remonte à 2700 avant notre ère et nous a permis de manipuler des objets pour calculer plus rapidement la sortie (vous pouvez apprendre à en utiliser un ici).

Au début des années 1800, Charles Babbage théorisait comment construire et utiliser un appareil mécanique pour effectuer des calculs. Au milieu des années 1800, il s’associe à Ada Lovelace pour concevoir le premier ordinateur mécanique polyvalent qui manipule la logique symbolique, le moteur analytique. Une fois que nous avons compris l’électromagnétisme, les tubes à vide et les transistors du XXe siècle ont donné vie aux idées de Babbage et Lovelace et nous ont donné les ordinateurs classiques qui sont omniprésents dans nos vies aujourd’hui.

L’histoire de l’informatique est une histoire d’utilisation de tout ce qui nous entoure pour accélérer et améliorer le traitement de l’information.

II. Mécanique quantique

L’informatique quantique s’appuie sur cette histoire de l’informatique en exploitant les propriétés très, très étranges de l’univers microscopique (c’est-à-dire les atomes et les particules subatomiques). La mécanique quantique est l’étude de la physique de cet univers microscopique, et la façon dont les choses fonctionnent à cette échelle est contre-intuitive et étrange. Vous trouverez ci-dessous un exemple de son caractère inhabituel :

• Principe incertain: Mieux nous comprenons l’emplacement d’une particule, moins nous pouvons comprendre son élan (et vice versa).
• Superposition: Le principe d’incertitude signifie que nous ne pouvons pas déterminer les propriétés d’une particule subatomique avec certitude avant l’observation, mais nous pouvons déterminer la probabilité qu’une propriété sera observée. Avant l’observation, les propriétés des particules sont considérées comme étant dans une « superposition » de tous les états possibles, et nous pouvons dire la probabilité qu’un état donné ne soit mesuré qu’une fois observé.
• Intrication quantique : Les particules qui interagissent les unes avec les autres peuvent devenir «intriquées», de sorte qu’elles ne peuvent plus être décrites séparément de leurs homologues. Même les particules très éloignées les unes des autres restent intriquées, et Albert Einstein a qualifié cette propriété d' »action effrayante à distance ».
• Dualité onde-particule: Les particules présentent à la fois des propriétés ondulatoires et particulaires. Comme les particules sont des ondes, elles peuvent être affectées par des interférences.

Une collègue de Holland & Knight m’a dit un jour que lorsqu’elle étudiait la mécanique quantique à l’université, le manuel la rendait « nausée » à lire parce que le sujet était si bizarre. Elle n’était pas seule. Voici comment certains des esprits les plus brillants du XXe siècle ont parlé du domaine (organisé en fonction du moment où ils ont remporté leur prix Nobel) :

• « Quiconque n’est pas choqué par la mécanique quantique ne l’a pas encore compris. » – Niels Bohr (Prix Nobel, 1922)
• « Non seulement l’Univers est plus étrange que nous ne le pensons, mais il est plus étrange que nous ne pouvons le penser. » – Werner Heisenberg (Prix Nobel, 1932)
• « Je n’aime pas ça, et je suis désolé d’avoir eu quoi que ce soit à voir avec ça. » – Erwin Schrödinger (Prix Nobel, 1933)
• « Je pense que je peux dire en toute sécurité que personne ne comprend la mécanique quantique. » –Richard Feynman (Prix Nobel, 1965)
• « La mécanique quantique n’a absolument aucun sens. » – Roger Penrose (Prix Nobel, 2020)

La mécanique quantique est remplie de paradoxes et de contradictions, mais aussi étranges soient-elles, ces réalités de l’univers sont comme n’importe quoi d’autre : elles sont quelque chose que nous pouvons utiliser pour compter et calculer.

III. Informatique quantique et algorithmes quantiques

Dès 1980, Paul Benioff proposait un modèle quantique pour l’informatique. Aujourd’hui, quarante ans plus tard, le domaine commence à produire de véritables ordinateurs quantiques qui commencent à être capables de résoudre des problèmes que les ordinateurs classiques ne peuvent pas résoudre.

Le fonctionnement des ordinateurs quantiques est étrange car il reflète les propriétés étranges de l’univers microscopique. Les scientifiques doivent d’abord isoler et contenir des particules subatomiques appelées « bits quantiques » (ou « qubits ») qui agissent comme des unités de calcul de base. L’analogue informatique classique des qubits sont les bits 0 et 1 représentés par des transistors, mais les qubits ne seraient pas des créatures de la mécanique quantique à moins qu’ils ne soient considérablement plus bizarres.

Avant l’observation, les qubits existent dans un état de superposition qui leur fait effectivement porter les valeurs 0 et 1 à la fois. Certains experts comparent la superposition d’un qubit à une pièce retournée en vol – tout aussi probablement pile ou face avant qu’il n’atterrisse (l’événement d’observation). Ce concept de superposition de qubits évolue magnifiquement pour effectuer des calculs massifs en parallèle. En effet, au lieu d’attendre qu’un ordinateur classique essaie toutes les combinaisons possibles de 0 et de 1 sur une longue période de temps, un ordinateur quantique peut calculer toutes ces possibilités à la fois pour calculer une réponse.

Si vous avez déjà perdu la combinaison d’un cadenas de vélo, vous pouvez faire ce que j’ai essayé au début des années 1990 : essayez chaque combinaison de quatre chiffres jusqu’à ce que le cadenas s’ouvre. Avec un antivol à quatre chiffres, il y a 10 000 combinaisons possibles, car la solution sera un nombre compris entre 0000 et 9999 (ou 10⁴ = 10 000). Dix mille essais, c’est beaucoup d’efforts pour économiser un cadenas de vélo à 5 $, et c’était franchement suffisant pour que j’abandonne. (L’espoir, bien sûr, est que les voleurs potentiels abandonnent également.) Un ordinateur quantique pourrait effectivement essayer toutes les combinaisons de verrouillage possibles à la fois pour trouver la bonne réponse.

Et des problèmes comme le « problème de verrouillage de vélo », mais qui ont des ensembles de solutions possibles beaucoup plus grands (exponentiellement plus grands), sont là où les ordinateurs quantiques brilleront dans les années à venir. C’est une sorte de secret en informatique, mais il y a des problèmes que les ordinateurs ne peuvent pratiquement pas résoudre en un temps raisonnable. Face à ces problèmes, les développeurs créent généralement des raccourcis, ou « heuristiques », pour donner une assez bonne réponse, sinon la meilleure réponse.

Il n’existe cependant pas de raccourcis pour résoudre certains problèmes importants. L’un de ces problèmes est la « factorisation des nombres premiers », où l’on demande aux ordinateurs de déterminer quels nombres premiers pourraient être multipliés ensemble pour créer un très, très grand nombre. Plus le nombre est grand, plus il est difficile d’effectuer une factorisation première. Ce problème est à la base de la cryptographie moderne car même nos ordinateurs classiques les plus puissants ne sont pas à la hauteur de la tâche. Si vous pouvez résoudre la factorisation première, alors presque tous les schémas de chiffrement, y compris ceux qui activent les crypto-monnaies, sont en danger. Les ordinateurs quantiques sont bien adaptés pour résoudre ce type de problème et peuvent le faire en théorie car ils l’ont déjà résolu pour de très petits nombres.

Les problèmes qui sont impossibles sur les ordinateurs classiques sont partout. La chimie, la biologie, la science des matériaux, la météorologie, l’intelligence artificielle, l’économie, etc., ont toutes des problèmes d’ampleur exponentielle que l’informatique quantique pourrait résoudre.

Le domaine en est encore à ses balbutiements, mais l’informatique quantique entraînera des avancées technologiques et scientifiques spectaculaires lorsqu’elle atteindra un état plus mature. Et ces progrès apparaîtront rapidement une fois que l’informatique quantique atteindra un point d’inflexion. Les avocats, en particulier ceux qui conseillent leurs clients sur les questions de confidentialité des données et de sécurité des technologies de l’information, devraient surveiller l’informatique quantique à mesure qu’elle se développe. Les prochains articles sur IP/Decode seront impatients d’aborder les implications de l’informatique quantique sur ces questions juridiques importantes.