L'ordinateur dans l'ère quantique

Publié le par djose4

L'ordinateur dans l'ère quantique

 

 

Ere quantique image Qubit

Jusqu'à présent les ordinateurs conventionnels ne savaient gérer que les états numériques 1 ou 0. Désormais, l'ordinateur quantique pourra gérer à la fois des 1 et des zéros. Ainsi, le temps de traitement des informations sera considérablement plus rapide.

 

 

1) Historique de l'ère quantique.

 

1981 : Le physicien Richard Pillips Feynman est à l'origine de la reformulation de la mécanique quantique;

1994 : Un des premiers algoritme quantique conçu par le mathématicien Peter Shor;

1998 : Premier calcul quantique à 2 qubits (Oxford, Stanford, MIT et IBM);

2001 : Mise en pratique de l'algorithme de SHOR à l'aide de 7 qubits formés de 1018 molécules;

2009 : Premier micro-processeur quantique solide (sur silicium) à base d'atomes artificiels (aluminium) réalisé à l'université de Yale;

2011 : La société D-Wave Systems développe et vend un microprocesseur quantique à 128 qubits à Lockheed Martin;

2012 : David Wineland et Serge Haroche reçoivent le prix Nobel pour leurs travaux en manipulation et mesure de systèmes quantiques;

2013 : La NASA et Google ouvrent un laboratoire de recherche sur l'intelligence artificielle quantique;

2014 : La NASA a investi 80 millions de $ selon Edward Snowden

 

Pour aprofondir, les bases de la physique quantique : http://www.futura-sciences.com/videos/d/interview-nee-physique-quantique-3532/ .

 

2) Principe de fonctionnement

 

Les atomes, ions et électrons peuvent être simultanément dans deux états différents. Ramené à notre logique habituelle, ça nous semble aussi incroyable que de dire qu'il puisse à la fois faire jour et nuit en même temps. Mais, à l'échelle microscopique, tout est possible. 

Au niveau des circuits, des interrupteurs quantiques sont utilisés. Chacun d'eux peut être à la fois ouvert et fermé : on parle alors de "bit quantique" ou "qubit".

Il est estimé que 50 interrupteurs quantiques peuvent encoder simultanément 250 états différents ! Assurément, nos circuits classiques utilisés actuellement tomberaient en désuétude au niveau performance.

La nature probabiliste de la physique quantique a par contre le défaut d'être difficile à maîtriser.

 

Des études du MIT permettent d'entrevoir la stabilité de l'état quantique en utilisant des diamants synthétiques ( http://www.lemondeinformatique.fr/actualites/lire-les-diamant-sont-les-meilleurs-amis-de-l-informatique-quantique-64476.html ).

 

Des jeux dédiés permettent de résoudre des problèmes concrets de physique quantique ( http://www.huffingtonpost.fr/2016/04/13/probleme-physique-quantique-gamers-resoudre-gamification_n_9679120.html ).

 

3) Les machines quantiques connues

 

* Projet D-Wave

Principe de fonctionnement "Qubit à boucle"

Dans la boucle supraconductrce de type SQUID, munie de jonctions Josephson, le déplacement des électrons peut se faire au niveau de ces jonctions, dans un sens et dans le sens inverse simultanément. Cela crée la superposition quantique "0" et "1" du qubit.

Avantages :

Avec une puce contenant 2048 qubits (dont seuls 1152 sont actifs à ce jour), l'ordinateur peut traiter des problèmes réels à l'égal des ordinateurs classique.

Inconvénients :

L'efficacité est difficile à estimer car les informations délivrées par l'entreprise sont insuffisantes.

 

D-WAVE 2000Q :

 

Projet IBM

Principe de fonctionnement "Qubit électronique" : 

Le qubit est constitué de 2 îlots d'aluminium reliés par un fil non conducteur. A une température proche du zéro absolu, l'ensemble acquiert un comportement quantique : les électrons peuvent se trouver simultanément de part et d'autre de la jonction par effet tunnel. La répartition des électrons entre l'un et l'autre îlots donne l'état "1" et "0" du qubit.

Avantages :

Méthodes déjà éprouvées et utilisées.

Inconvénients :

La grande taille des qubits et les problèmes de dégagement de chaleur limitent la possibilité d'en concentrer un grand nombre sur une petite surface.

 

En mai 2016, IBM met à disposition son ordinateur quantique depuis un simple navigateur sur une tranche de 5 qubits ( http://www.zdnet.fr/actualites/ibm-met-a-disposition-son-ordinateur-quantique-depuis-un-simple-navigateur-39836486.htm); le processeur d’IBM est logé dans un « réfrigérateur à dilution cryogénique », étape essentielle pour que le matériel quantique reste opérationnel ( http://www.blog-nouvelles-technologies.fr/84886/ibm-quantum-experience/).

Un projet d'ordinateur quantique 50 qubits est en cours de préparation (http://www.silicon.fr/ibm-fait-un-nouveau-pas-vers-la-commercialisation-de-systemes-quantiques-169720.html).

 

Projet Monroe

Principe de fonctionnement "Qubit ionique" : 

Des ions (atomes chargés en électicité) sont piégés par un champ électromagnétique, et placés en lévitation dans une cavité optique. Grâce à des lasers modulés sur une longueur d'onde précise, l'un de leurs électrons se retrouve simultanément dans deux états d'énergie distincts. Chaque ion devient alors un qubit, les deux états d'énergie constituent le "0" et le "1".

Avantages :

C'est le précurseur d'un ordinateur reconfigurable à souhait qui peut aussi bien faire du calcul logique que de la simulation.

Inconvénients :

Pour manipuler les qubits un à un, il faut beaucoup de lasers, lesquels chauffent le milieu, entraînant la destruction de l'état quantique.

Projet ENS

Principe de fonctionnement "Système quantique" : 

Dans un simulateur, des atomes en suspension forment un système fortement intriqué dont les caractéristiques quantiques globales sont les mêmes que celles du phénomène étudié. Ce système peut être divisé en plusieurs sous-parties grâce à un réseau optique. 

Avantages :

Déjà au point pour résoudre certains problèmes. Des simulations complexes peuvent être réalisées.

Inconvénients :

Le dispositif est grand (à l'échelle d'un laboratoire), à cause du parcours de refrpoidissement du gaz. L'effet de chauffage lié au pilotage par lasers peut provoquer une destruction du système quantique.

Quantum Computing - Gilles Nogues, Laboratoire Kastler Brossel – CNRS from Kavli Frontiers of Science on Vimeo.

 

Projet UNSW

Principe de fonctionnement "Qubit de spin" : 

Une boîte quantique gravée sur silicium peut piéger un électron individuel présentant une superposition de deux états inverses de son "spin" (ou rotation quantique). La valeur de ce qubit est contrôlée à l'aide d'un champ magnétique généré à quelques nanomètres de distance.

Avantages :

Les "boîtes quantiques" peuvent être fabriquées grâce aux méthodes de l'industrie du silicium.

Inconvénients :

L'échauffement du silicium provoque la destruction du système quantique.

Mai 2016 : les chercheurs du Sandia National Laboratories ont montré qu' un atome d'antimoine bombardé avec un générateur d'ions (champ électromagnétique) dans un substrat de silicium permet d'obtenir un ordinateur quantique opérationnel (http://www.lemondeinformatique.fr/actualites/lire-un-atome-d-antimoine-dans-du-silicium-pour-obtenir-un-ordinateur-quantique-64972.html )

 

méthode baptisée « recuit simulé avec une touche digitale »

Principe de fonctionnement : 

Cela consiste à compléter l'approche adiabatique avec les fonctions de correction d'erreurs du modèle de grille. Les chercheurs ont testé leur méthode sur un système simulé en utilisant neuf qubits reliés entre eux un à un et contrôlés individuellement (http://www.lemondeinformatique.fr/actualites/lire-google-fait-un-grand-pas-en-informatique-quantique-65106.html).

 

* les qubits-trous

Des électrons manquants vont se comporter quantiquement comme des particules de charge positive, avec un spin, et donc capables de porter un qubit d'information (http://portail.free.fr/tech-web/sciences/6489336_20160728_nouvelle-piste-pour-l-ordinateur-quantique-les-trous.html)

 

manipulation de puces quantiques à l'aide de simples tensions électriques

http://www.science-et-vie.com/article/une-nouvelle-avancee-majeure-pour-construire-un-ordinateur-quantique-7320

 

4) Les algorithmes et applications logicielles connus

Trois algorithmes fondamentaux :

- algorithme de Grover;

- algorithme de Shor;

- algoritme de Harrow-Hassidim-Lloyd (HHL).

 

Des langages comme Liquid de Microsoft et Quipper ont été conçus pour traiter des qubits.

 

 

5) Domaines d'application

 

* Intelligence Artificielle. Les ordinateurs quantiques vont permettre d'accélérer considérablement l'apprentissage des systèmes d'intelligence artificielle (http://quotidienne-agora.fr/ordinateurs-quantiques-mort-informatique-telle-connaissons/). Il sera possible de générer des voix humaine dynamiquement (ex : Deepmind l'IA de Google) ;

 

* Réseaux complexes. La complexité due au développement des réseaux de transports, électricité et communication va être gérée aisément par les ordinateurs quantique. Les pannes vont être ainsi détectées à l'avance. Par exemple, Volkswagen se lance sur le créneau de la gestion du trafic routier (http://www.moniteurautomobile.be/actu-auto/innovation/volkswagen-teste-lordinateur-quantique.html);

 

* Big Data. La gestion des vidéos de surveillance et des systèmes d'imagerie (médicale, satellite,..) vont avoir des données traitées plus efficacement à l'aide des ordinateurs quantiques;

 

* Cryptographie. Les systèmes de chiffrement utilisés actuellement (par exemple ; RSA), notamment dans les transactions électroniques, ne seront plus "incassable" du fait de la puissance des ordinateurs quantiques;

 

* Physique des particules. Les interactions quantiques des particules vont être étudiées sans difficultés. C'est le cas par exemple de la chimie physique (http://www.clubic.com/mag/sciences/actualite-812396-ordinateur-quantique-google-teste-chimie-physique.html).  

 

* Musique. Musique composée avec un ordinateur D-Wave (http://www.sciencesetavenir.fr/high-tech/20160803.OBS5758/duo-pour-mezzo-soprano-et-ordinateur-soi-disant-quantique.html?xtor=RSS-12).

 

* Réchauffement climatique. Lutte contre l'effet de serre en piégeant le dioxyde de carbone (http://www.niooz.fr/l-ordinateur-quantique-l-innovation-ultime-channel-9-9050940.shtml)

 

* Optimisation de l'aide aux pays en voie de développement. Achat d'engrais à bas prix (http://www.niooz.fr/l-ordinateur-quantique-l-innovation-ultime-channel-9-9050940.shtml).

 

6) Enjeux politiques, économiques et sociaux de l'ère quantique

 

La sécurité des données et transactions (notamment bancaires) cryptées avec les algorithmes employés à ce jour sont remis en question par la venue probable d'ordinateurs quantiques ( http://www.usine-digitale.fr/article/l-affaire-apple-vs-fbi-c-est-un-peu-celle-d-un-psychiatre-face-a-un-serial-killer-selon-le-pdg-d-inria.N381932 , http://www.lemondeinformatique.fr/actualites/lire-le-mit-travaille-sur-un-ordinateur-quantique-casseur-de-chiffrement-64125.html ). Google prend les devants et test un algorithme pour empêcher un ordinateur quantique de casser le protocole TLS utilisé pour crypter les sites webs "http" (http://mes-actus.fr/google-commence-a-proteger-ses-utilisateurs-contre-les-attaques-quantiques/).

Les services de sécurité vont avoir la possibilité de pirater plus facilement des comptes suspects (https://fr.sputniknews.com/societe/201704301031167041-services-secrets-ordinateur-quan/)

 

L'ordinateur quantique permettra de dépasser les limites de l'ordinateur classique auquel ne peut plus s'appliquer la "Loi de Moore" ( http://www.huffingtonpost.fr/2016/03/28/loi-de-moore-fin-smartphones-ordinateurs-puissance-bonne-nouvelle_n_9547240.html ).

 

L'Europe, les américains et les chinois se retrouvent dans une course à la technologie quantique ( http://francais.eu2016.nl/a-la-une/actualites/2016/05/17/manifeste-quantique-1-milliard-d%E2%80%99euros-pour-un-ordinateur-quantique-europeen ). Un projet d'ordinateur quantique européen est en cours d'élaboration (http://www.industrie-techno.com/cyril-allouche-atos-la-programmation-est-le-challenge-oublie-de-l-informatique-quantique.45243).

 

7) Réflexions sur l'évolution des machines quantiques

 

IBM estime que, dans la prochaine décennie, nous allons voir les ordinateurs quantiques de 50 à 100 qubits, et qu’un modèle de 50 qubits serait plus puissant que l’un des meilleurs supercalculateurs d’aujourd’hui.

Des pistes de recherches sont lancées pour utiliser l'ordinateur quantique afin de générer de véritables nombres aléatoires (les "Random Number Generator") pour améliorer les systèmes de cryptographie actuellement utilsés ou pour perfectionner les systèmes de loterie ( http://ici.radio-canada.ca/regions/estrie/2016/05/13/005-finale-pancanadienne-expo-sciences-finalistes-estrie.shtml ). 

Pistes de recherche également sur la difficulté de contrôler le "spin" de l'électronhttp://ici.radio-canada.ca/regions/estrie/2016/05/13/005-finale-pancanadienne-expo-sciences-finalistes-estrie.shtml ).

Verra-t-on un jour un ordinateur quantique de la taille d'un immeuble ? (http://www.francetvinfo.fr/sciences/des-chercheurs-devoilent-un-premier-projet-d-ordinateur-quantique_2046511.html).

Les "Cristaux temporels" seraient les meilleurs supports pour les ordinateurs quantiques ! (http://www.huffingtonpost.fr/2017/01/30/des-scientifiques-sont-parvenus-a-creer-un-cristal-temporel/)

Mars 2016 : création une lumière quantique composée de photons indiscernables à 99,5% ( http://www.clubic.com/mag/sciences/actualite-798622-calcul-quantique-bond.html ).

Dans la lignée des ordinateurs quantiques, des ordinateurs biologiques sont à l'étude; ils utiliseront des protéines à la place de qubits ( http://www.tomshardware.fr/articles/nanotechnologie-ordinateur-biologique-proteines,1-58722.html ).

Des menaces et des opportunités démultipliées ! (http://quotidienne-agora.fr/ordinateurs-quantiques-mort-informatique-telle-connaissons/).

La création de la molécule "triangulène" et sa stabilité vont permettre de créer un ordinateur quantique fiable (https://www.science-et-vie.com/article/des-chercheurs-creent-une-molecule-inedite-et-stable-7934

(Sources : Sciences et Vie n°1182 et divers liens sur Internet)

Autres liens :

- Slide sur les ordinateurs quantiques ( http://slideplayer.fr/slide/10215926/ )

 

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