Qu'est-ce que l'informatique quantique et comment les ordinateurs quantiques vont-ils changer le monde ?

Jean Delaunay

Qu’est-ce que l’informatique quantique et comment les ordinateurs quantiques vont-ils changer le monde ?

L’Observatoire de l’Europe Next a visité le laboratoire de recherche d’IBM à Zurich pour en savoir plus sur le domaine qui promet d’apporter de nouvelles solutions aux problèmes mondiaux.

Selon la personne à qui vous demandez, certains disent que les ordinateurs quantiques pourraient soit casser Internet, rendant à peu près tous les protocoles de sécurité des données obsolètes, soit nous permettre de calculer notre sortie de la crise climatique.

Ces dispositifs hyperpuissants, une technologie émergente qui exploite les propriétés de la mécanique quantique, font le buzz.

En novembre de l’année dernière, IBM a dévoilé son dernier ordinateur quantique, Osprey, un nouveau processeur de 433 qubits trois fois plus puissant que son prédécesseur construit seulement en 2021.

Mais de quoi parle tout ce battage médiatique?

Quantum est un domaine de la science qui étudie les propriétés physiques de la nature à l’échelle des atomes et des particules subatomiques.

Les partisans de la technologie quantique affirment que ces machines pourraient inaugurer des avancées rapides dans des domaines tels que la découverte de médicaments et la science des matériaux – une perspective qui laisse planer la possibilité alléchante de créer, par exemple, des batteries ou des matériaux de véhicules électriques plus légers et plus efficaces qui pourraient faciliter une capture efficace du CO2 .

Avec la crise climatique qui se profile, et la technologie avec l’espoir de résoudre des problèmes complexes comme ceux-ci ne manqueront pas de susciter un vif intérêt.

Il n’est donc pas étonnant que certaines des plus grandes entreprises technologiques du monde – Google, Microsoft, Amazon et, bien sûr, IBM pour n’en nommer que quelques-unes – y investissent massivement et cherchent à prendre leur place dans un avenir quantique.

Comment fonctionnent les ordinateurs quantiques ?

Étant donné que ces machines aux consonances utopiques suscitent un intérêt si frénétique, il serait peut-être utile de comprendre comment elles fonctionnent et ce qui les différencie de l’informatique classique.

Prenez tous les appareils que nous avons aujourd’hui – des smartphones dans nos poches à nos superordinateurs les plus puissants. Ceux-ci fonctionnent et ont toujours fonctionné sur le même principe de code binaire.

Essentiellement, les puces de nos ordinateurs utilisent de minuscules transistors qui fonctionnent comme des interrupteurs marche/arrêt pour donner deux valeurs possibles, 0 ou 1, autrement appelées bits, abréviation de chiffres binaires.

Ces bits peuvent être configurés en unités plus grandes et plus complexes, essentiellement de longues chaînes de 0 et de 1 codées avec des commandes de données qui indiquent à l’ordinateur quoi faire : afficher une vidéo ; afficher une publication Facebook ; jouer un mp3; laissez-vous taper un e-mail, et ainsi de suite.

Mais un ordinateur quantique ?

Ces machines fonctionnent d’une manière totalement différente. À la place des bits dans un ordinateur classique, l’unité d’information de base en informatique quantique est ce qu’on appelle un bit quantique, ou qubit. Ce sont généralement des particules subatomiques comme les photons ou les électrons.

La clé de la puissance de calcul avancée d’une machine quantique réside dans sa capacité à manipuler ces qubits.

« Un qubit est un système quantique à deux niveaux qui vous permet de stocker des informations quantiques », a expliqué Ivano Tavernelli, le leader mondial des algorithmes avancés pour les simulations quantiques à l’IBM Research Lab de Zurich, à L’Observatoire de l’Europe Next.

« Au lieu d’avoir uniquement les deux niveaux zéro et un que vous auriez ici dans un calcul classique, nous pouvons construire une superposition de ces deux états », a-t-il ajouté.

Superposition

La superposition en qubits signifie que contrairement à un système binaire avec ses deux valeurs possibles, 0 ou 1, un qubit en superposition peut être 0 ou 1 ou 0 et 1 en même temps.

Et si vous ne pouvez pas comprendre cela, l’analogie souvent donnée est celle d’un sou.

Lorsqu’il est immobile, un sou a deux faces, pile ou face. Mais si vous le retournez? Ou le faire tourner ? D’une certaine manière, c’est à la fois pile et face jusqu’à ce qu’il atterrisse et que vous puissiez le mesurer.

Et pour l’informatique, cette capacité à être dans plusieurs états en même temps signifie que vous disposez d’un nombre exponentiellement plus grand d’états dans lesquels coder les données, ce qui rend les ordinateurs quantiques exponentiellement plus puissants que les ordinateurs traditionnels à code binaire.

Intrication quantique

Une autre propriété cruciale pour le fonctionnement de l’informatique quantique est l’intrication. C’est une caractéristique quelque peu mystérieuse de la mécanique quantique qui a même déconcerté Einstein en son temps qui l’a déclarée « action effrayante à distance ».

(L’) ordinateur quantique va rendre beaucoup plus facile la simulation du monde physique.

Alessandro Curioni

Directeur, IBM Research Lab à Zurich

Lorsque deux qubits sont générés dans un état intriqué, il existe une corrélation mesurable directe entre ce qui arrive à un qubit dans une paire intriquée et ce qui arrive à l’autre, quelle que soit leur distance. Ce phénomène n’a pas d’équivalent dans le monde classique.

« Cette propriété d’intrication est très importante car elle apporte une connectivité beaucoup, beaucoup plus forte entre les différentes unités et qubits. Ainsi, la puissance d’élaboration de ce système est plus forte et meilleure que celle de l’ordinateur classique », a déclaré Alessandro Curioni, directeur de l’IBM Research. Lab à Zurich, expliqué à L’Observatoire de l’Europe Next.

En fait, cette année, le prix Nobel de physique a été décerné à trois scientifiques, Alain Aspect, John Clauser et Anton Zeilinger, pour leurs expériences sur l’intrication et l’avancement du domaine de l’information quantique.

Pourquoi avons-nous besoin d’ordinateurs quantiques ?

Donc, en un mot certes simplifié, ce sont les éléments constitutifs du fonctionnement des ordinateurs quantiques.

Mais encore une fois, pourquoi a-t-on forcément besoin de machines aussi hyper-puissantes alors qu’on a déjà des supercalculateurs ?

« (L’) ordinateur quantique va rendre beaucoup plus facile la simulation du monde physique », a-t-il déclaré.

« Un ordinateur quantique va pouvoir mieux simuler le monde quantique, donc simulation d’atomes et de molécules ».

Comme l’explique Curioni, cela permettra aux ordinateurs quantiques d’aider à la conception et à la découverte de nouveaux matériaux aux propriétés sur mesure.

« Si je suis capable de concevoir un meilleur matériau pour le stockage de l’énergie, je peux résoudre le problème de la mobilité. Si je suis capable de concevoir un meilleur matériau comme engrais, je suis capable de résoudre le problème de la faim et de la production alimentaire. Si je suis capable de concevoir un nouveau matériau qui (nous) permette de faire du captage de CO2, je suis capable de résoudre le problème du changement climatique », a-t-il déclaré.

Effets secondaires indésirables ?

Mais il pourrait aussi y avoir des effets secondaires indésirables dont il faut tenir compte alors que nous entrons dans l’ère quantique.

L’une des principales préoccupations est que les ordinateurs quantiques du futur pourraient être dotés d’une capacité de calcul si puissante qu’ils pourraient casser les protocoles de cryptage fondamentaux pour la sécurité d’Internet que nous avons aujourd’hui.

« Lorsque les gens communiquent sur Internet, n’importe qui peut écouter la conversation. Ils doivent donc d’abord être cryptés. Et la façon dont le cryptage fonctionne entre deux personnes qui ne se sont pas rencontrées est qu’elles doivent s’appuyer sur des algorithmes connus sous le nom de RSA ou Elliptic Curve. , Diffie-Hellman, pour échanger une clé secrète », a expliqué Vadim Lyubashevsky, cryptographe au IBM Research Lab de Zurich.

« L’échange de la clé secrète est la partie la plus difficile, et cela nécessite des hypothèses mathématiques qui se brisent avec les ordinateurs quantiques ».

Afin de se protéger contre cela, Lyubashevsky dit que les organisations et les acteurs étatiques devraient déjà mettre à jour leur cryptographie vers des algorithmes quantiques, c’est-à-dire. ceux qui ne peuvent pas être brisés par les ordinateurs quantiques.

Beaucoup de ces algorithmes ont déjà été construits et d’autres sont en cours de développement.

Bien sûr, cela a pour effet secondaire négatif de casser la cryptographie. Mais ce n’est pas une raison pour ne pas construire un ordinateur quantique, car nous pouvons le patcher.

Vadim Lyubashevsky

Cryptographe, IBM Research Lab à Zurich

« Même si nous n’avons pas d’ordinateur quantique, nous pouvons écrire des algorithmes et nous savons ce qu’il fera une fois qu’il existera, comment il exécutera ces algorithmes », a-t-il déclaré.

« Nous avons des attentes concrètes quant à ce qu’un ordinateur quantique particulier fera et comment il cassera certains schémas de cryptage ou certains autres schémas cryptographiques. Nous pouvons donc certainement nous préparer à des choses comme ça », a ajouté Lyubashevsky.

« Et ça a du sens. C’est logique de se préparer à des choses comme ça parce qu’on sait exactement ce qu’ils vont faire ».

Mais il y a ensuite le problème des données qui existent déjà et qui n’ont pas été cryptées avec des algorithmes quantiques.

« Il y a un très grand danger que les organisations gouvernementales stockent actuellement déjà beaucoup de trafic Internet dans l’espoir qu’une fois qu’elles auront construit un ordinateur quantique, elles seront capables de le déchiffrer », a-t-il déclaré.

« Donc, même si les choses sont toujours sécurisées maintenant, peut-être que quelque chose est transmis maintenant qui est toujours intéressant dans dix, 15 ans. Et c’est à ce moment-là que le gouvernement, quiconque construit un ordinateur quantique, pourra le décrypter et peut-être utiliser cette information qui il ne devrait pas utiliser ».

Malgré cela, mis en balance avec les avantages potentiels de l’informatique quantique, Lyubashevsky affirme que ces risques ne devraient pas arrêter le développement de ces machines.

« Briser la cryptographie n’est pas le but des ordinateurs quantiques, c’est juste un effet secondaire », a-t-il déclaré.

« Il aura, espérons-le, beaucoup plus d’utilités utiles, comme augmenter la vitesse à laquelle vous pouvez découvrir des réactions chimiques et les utiliser pour la médecine et des choses comme ça. C’est donc le but d’un ordinateur quantique », a-t-il ajouté.

« Et bien sûr, cela a l’effet secondaire négatif de casser la cryptographie. Mais ce n’est pas une raison pour ne pas construire un ordinateur quantique, car nous pouvons corriger cela et nous l’avons corrigé. C’est donc une sorte de problème facile à résoudre là-bas. « .

Pour en savoir plus sur cette histoire, regardez la vidéo explicative dans le lecteur multimédia ci-dessus.

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