Série de percées en informatique quantique
Un ordinateur ordinaire, qui est maintenant appelé ordinateur classique ou traditionnel, fonctionne sur le concept de base des 0 et des 1 (zéros et uns). Quand on demande au ordinateur pour faire une tâche pour nous, par exemple un calcul mathématique ou la prise d'un rendez-vous ou quoi que ce soit en rapport avec la vie de tous les jours, cette tâche à un moment donné est convertie (ou traduite) en une chaîne de 0 et de 1 (qui est alors appelée le entrée), cette entrée est traitée par un algorithme (défini comme un ensemble de règles à suivre pour accomplir une tâche sur un ordinateur). Après ce traitement, une nouvelle chaîne de 0 et de 1 est renvoyée (appelée la sortie), et cela code pour le résultat attendu et est traduit en informations plus simples et conviviales en tant que « réponse » à ce que l'utilisateur voulait que l'ordinateur fasse . Il est fascinant de constater que peu importe à quel point l'algorithme peut sembler intelligent et quel que soit le niveau de difficulté de la tâche, un algorithme informatique ne fait qu'une seule chose - manipuler une chaîne de bits - où chaque bit est soit 0, soit 1. Le la manipulation se fait sur l'ordinateur (côté logiciel) et au niveau machine cela est représenté par des circuits électriques (sur la carte mère de l'ordinateur). Dans la terminologie matérielle, lorsque le courant traverse ces circuits électriques, il est fermé et est ouvert lorsqu'il n'y a pas de courant.
Ordinateur classique vs quantique
Par conséquent, dans les ordinateurs classiques, un bit est une information unique qui peut exister dans deux états possibles - 0 ou 1. Cependant, si nous parlons de quantum ordinateurs, ils utilisent généralement des bits quantiques (également appelés « qubits »). Ce sont des systèmes quantiques à deux états, cependant, contrairement au bit habituel (stocké comme 0 ou 1), les qubits peuvent stocker beaucoup plus d'informations et peuvent exister dans n'importe quelle supposition de ces valeurs. Pour mieux expliquer, un qubit peut être considéré comme une sphère imaginaire, où qubit peut être n'importe quel point de la sphère. On peut dire que l'informatique quantique tire parti de la capacité des particules subatomiques à exister dans plus d'un état à un moment donné tout en s'excluant mutuellement. En revanche, un mors classique ne peut être que dans deux états – exemple à l'extrémité de deux pôles de la sphère. Dans la vie ordinaire, nous ne sommes pas capables de voir cette "superposition" car une fois qu'un système est vu dans son intégralité, ces superpositions disparaissent et c'est la raison pour laquelle la compréhension de telles superpositions n'est pas claire.
Cela signifie pour les ordinateurs que les ordinateurs quantiques utilisant des qubits peuvent stocker une énorme quantité d'informations en utilisant moins d'énergie qu'un ordinateur classique et que les opérations ou les calculs peuvent donc être effectués relativement beaucoup plus rapidement sur un ordinateur quantique. Ainsi, un ordinateur classique peut prendre un 0 ou un 1, deux bits de cet ordinateur peuvent être dans quatre états possibles (00, 01, 10 ou 11), mais un seul état est représenté à un instant donné. Un ordinateur quantique, quant à lui, fonctionne avec des particules qui peuvent être superposées, permettant à deux qubits de représenter exactement les mêmes quatre états en même temps en raison de la propriété de superposition libérant les ordinateurs de la « contrainte binaire ». Cela peut équivaloir à quatre ordinateurs fonctionnant simultanément et si l’on ajoute ces qubits, la puissance de l’ordinateur quantique augmente de façon exponentielle. Les ordinateurs quantiques profitent également d'une autre propriété de la physique quantique appelée « intrication quantique », définie par Albert Einstein. L'intrication est une propriété qui permet aux particules quantiques de se connecter et de communiquer quel que soit leur emplacement dans l'environnement. univers de sorte que changer l’état de l’un peut instantanément affecter l’autre. Les doubles capacités de « superposition » et « d’intrication » sont en principe assez puissantes. Par conséquent, ce qu’un ordinateur quantique peut réaliser est inimaginable par rapport aux ordinateurs classiques. Tout cela semble très excitant et simple, mais ce scénario pose problème. Un ordinateur quantique, s'il prend des qubits (bits superposés) comme entrée, sa sortie sera également dans un état quantique, c'est-à-dire une sortie ayant des bits superposés qui peuvent également continuer à changer en fonction de l'état dans lequel il se trouve. Cela ne nous permet pas vraiment de recevoir toutes les informations et le plus grand défi dans l’art de l’informatique quantique est donc de trouver des moyens d’obtenir autant d’informations à partir de cette production quantique.
L'ordinateur quantique sera là !
Les ordinateurs quantiques peuvent être définis comme des machines puissantes, basées sur les principes de la mécanique quantique qui adoptent une approche complètement nouvelle du traitement de l'information. Ils cherchent à explorer les lois complexes de la nature qui ont toujours existé mais qui sont généralement restées cachées. Si de tels phénomènes naturels peuvent être explorés, l’informatique quantique pourrait exécuter de nouveaux types d’algorithmes pour traiter l’information, ce qui pourrait conduire à des percées innovantes dans les domaines de la science des matériaux, de la découverte de médicaments, de la robotique et de l’intelligence artificielle. L'idée d'un ordinateur quantique a été proposée par le physicien théoricien américain Richard Feynman en 1982. Et aujourd'hui, des entreprises technologiques (telles qu'IBM, Microsoft, Google, Intel) et des établissements universitaires (comme le MIT et l'Université de Princeton) travaillent sur le quantum. prototypes informatiques pour créer un ordinateur quantique grand public. International Business Machines Corp. (IBM) a récemment déclaré que ses scientifiques avaient construit une puissante plate-forme informatique quantique et qu'elle pouvait être rendue accessible, mais a souligné qu'elle n'était pas suffisante pour effectuer la plupart des tâches. Ils disent qu'un prototype de 50 qubits en cours de développement peut résoudre de nombreux problèmes que les ordinateurs classiques font aujourd'hui et qu'à l'avenir, des ordinateurs de 50 à 100 qubits combleraient largement le vide, c'est-à-dire qu'un ordinateur quantique avec seulement quelques centaines de qubits serait capable de effectuer simultanément plus de calculs qu'il n'y a d'atomes dans l'espace connu univers. En réalité, le chemin qui permettra à un ordinateur quantique de surpasser un ordinateur classique dans des tâches difficiles est semé d’embûches et de défis. Récemment, Intel a déclaré que son nouvel ordinateur quantique à 49 qubits représentait une étape vers cette « suprématie quantique », une avancée majeure pour l'entreprise qui avait démontré un système à qubits de 17 bits il y a à peine 2 mois. Leur priorité est de continuer à étendre le projet, en partant du principe que l’augmentation du nombre de qubits est la clé pour créer des ordinateurs quantiques capables de fournir des résultats concrets.
Le matériau est la clé de la construction d'un ordinateur quantique
Le silicium fait partie intégrante de l'informatique depuis des décennies car son ensemble de capacités clés le rend bien adapté à l'informatique générale (ou classique). Cependant, en ce qui concerne l'informatique quantique, les solutions à base de silicium n'ont pas été adoptées principalement pour deux raisons, premièrement, il est difficile de contrôler les qubits fabriqués sur silicium, et deuxièmement, il n'est toujours pas clair si les qubits silicium pourraient évoluer aussi bien que d'autres solutions. Dans une avancée majeure, Intel a très récemment développé1 un nouveau type de qubit connu sous le nom de 'spin qubit' qui est produit sur du silicium conventionnel. Les qubits de spin ressemblent étroitement à l'électronique des semi-conducteurs et ils délivrent leur puissance quantique en exploitant le spin d'un seul électron sur un dispositif en silicium et en contrôlant le mouvement avec de minuscules impulsions micro-ondes. Deux avantages majeurs qui ont conduit Intel à s'orienter dans cette direction sont, premièrement, Intel, en tant qu'entreprise, est déjà fortement investi dans l'industrie du silicium et possède donc la bonne expertise en silicium. Deuxièmement, les qubits de silicium sont plus avantageux car ils sont plus petits que les qubits conventionnels, et ils devraient conserver leur cohérence pendant une plus longue période de temps. Ceci est d'une importance primordiale lorsque les systèmes informatiques quantiques doivent être mis à l'échelle (par exemple, passer de 100-qubit à 200-qubit). Intel teste ce prototype et la société s'attend à produire des puces ayant des milliers de petits tableaux de qubits et une telle production lorsqu'elle est effectuée en masse peut être très bonne pour faire évoluer les ordinateurs quantiques et peut être un véritable changeur de jeu.
Dans une recherche récente publiée dans Sciences, un modèle nouvellement conçu pour les cristaux photoniques (c'est-à-dire une conception de cristal mise en œuvre sur une puce photonique) a été développé par une équipe de l'Université du Maryland, aux États-Unis, qui, selon eux, rendra les ordinateurs quantiques plus accessibles2. Ces photons sont la plus petite quantité de lumière connue et ces cristaux ont été retranchés avec des trous qui font interagir la lumière. Différents modèles de trous changent la façon dont la lumière se courbe et rebondit à travers le cristal et ici, des milliers de trous triangulaires ont été réalisés. Une telle utilisation de photons uniques est importante pour le processus de création d'ordinateurs quantiques, car les ordinateurs auront alors la capacité de calculer de grands nombres et des réactions chimiques que les ordinateurs actuels ne sont pas capables de faire. La conception de la puce permet le transfert de photons entre ordinateurs quantiques sans aucune perte. Cette perte a également été considérée comme un grand défi pour les ordinateurs quantiques et donc cette puce prend en charge le problème et permet un itinéraire efficace de quantum informations d'un système à un autre.
A venir
Les ordinateurs quantiques promettent d'exécuter des calculs bien au-delà de tout supercalculateur conventionnel. Ils ont le potentiel de révolutionner la découverte de nouveaux matériaux en permettant de simuler le comportement de la matière jusqu'au niveau atomique. Il crée également de l'espoir pour l'intelligence artificielle et la robotique en traitant les données plus rapidement et plus efficacement. La fourniture d'un système informatique quantique commercialement viable pourrait être effectuée par l'une des grandes organisations dans les années à venir, car cette recherche est toujours ouverte et un jeu équitable pour tous. Des annonces majeures sont attendues au cours des cinq à sept prochaines années et, idéalement, compte tenu de la série d'avancées en cours, les problèmes d'ingénierie devraient être résolus et un ordinateur quantique de 1 million de qubits ou plus devrait être une réalité.
***
{Vous pouvez lire le document de recherche original en cliquant sur le lien DOI ci-dessous dans la liste des sources citées}
Sources)
1. Castelvecchi D. 2018. Le silicium gagne du terrain dans la course à l'informatique quantique. La nature. 553(7687). https://doi.org/10.1038/d41586-018-00213-3
2. Sabyasachi B. et al. 2018. Une interface d'optique quantique topologique. Science. 359 (6376). https://doi.org/10.1126/science.aaq0327
