L’informatique quantique

L’informatique quantique est une seconde sorte d’informatique impliquant les phénomènes de la mécanique quantique. Elle permettra dans le futur d’avoir une très grosse puissance de calcul qui permettra de résoudre des problèmes jusqu’à lors irrésolvable en temps raisonnable pour un ordinateur classique.

L'informatique quantique en 4 données

C’est l’investissement français dans cette technologie

C’est la température où doit se trouver le processeur de l’ordinateur quantique

C’est la tranche de temps que pourrait prendre un ordinateur quantique pour effectuer des calculs qui prendraient des milliers, millions voire milliards d’années pour un ordinateur classique

C’est la taille d’un ordinateur quantique en version industrielle, il fait 20m x 20m en laboratoire

Comment ça fonctionne ?

L’ordinateur quantique, à la différence d’un ordinateur classique, fonctionne en qubits et non en bits.

Pour faire des calculs, l’ordinateur classique utilise ce que l’on appelle des bits, la valeur d’un bit dépend du courant électrique, 1 si il y en a, 0 si non.

Les qubits sont différents, il en existe plusieurs types et leur fonctionnement n’est pas le même.. Au sens où contrairement aux bits, nous ne pouvons pas savoir si ils prennent la valeur 0 ou 1.

Pourquoi vous demandez-vous ? Connaissez vous le chat de Schrödinger ?
C’est une expérience où l’on met un chat dans une boîte qui contient du poison. Au moment où l’on ferme la boîte avec le chat à l’intérieur, le poison a une chance sur deux de tuer le chat et nous n’avons pas le droit de vérifier si le chat est mort ou bien vivant.

Eh bien dites vous que c’est la même logique pour les qubits, on ne peut pas savoir s’il est égal à 0 ou 1, on n’a pas le droit de regarder donc on se repose sur des probabilités pour connaître sa valeur.
C’est d’ailleurs pour cela que l’on dit qu’un qubit vaut 0 et 1 en même temps.

La valeur du qubit est représentée sur ce que l’on appelle une sphère de Bloch, pour faire simple, ça sert à savoir si elle est plutôt égal à 0 ou plutôt égal à 1..

Cette image vient de wikipédia

Précédemment, je vous ai dit que nous ne pouvons pas connaître la valeur d’un qubit, mais ce n’est pas totalement ça, laissez moi vous expliquez.
Dans l’expérience du chat de Schrödinger, si nous ouvrons la boîte, nous pouvons savoir si le chat est mort ou vivant.
Il en va de même pour le qubit. Le problème est que le qubit, une fois que l’on regarde sa valeur, il n’y a pas de mystère, il vaut soit 1, soit 0 et non les deux, il arrête de changer en permanence.
Sauf que c’est justement le fait qu’un qubit peut prendre la valeur 0 et 1 en même temps qui permettra à l’ordinateur quantique de faire de très gros calculs.

La capacité d’un qubit à prendre la valeur 1 et 0 à la fois s’appelle la superposition.

Qu’est ce que cela change vous pouvez vous demander.

L’ordinateur classique calcul une valeur à la fois or l’ordinateur quantique calcul tout en même temps. Voilà pourquoi on dit qu’il est beaucoup plus puissant, mais ceci n’est vrai que pour certains calculs.

Il faut savoir que cet état de superposition n’est pas infinis, il ne dure que peu de temps, trouver des chiffres exactes pour exprimé ce temps est compliqué mais nous pouvons considérer qu’il dure moins d’une seconde à notre époque.
Ce temps s’appelle le temps de cohérence quantique et est très important car je vous le rappel, si les qubits ne sont plus dans un état superposé, pas de calculs.

A savoir que pour améliorer la fiabilité des calculs, il y a des codes de correction d’erreurs qui vont donc empiétez un peu sur ce temps de cohérence.

C’est pour améliorer le temps de cohérence que l’ordinateur quantique doit être dans un environnement à très basse température. D’ailleurs, il est également placé sous ultra vide afin d’empêcher les ondes électromagnétiques de la planète de le perturbé..

La puissance de l’ordinateur quantique va dépendre de son nombre qubit, à chaque qubits ajoutés sa puissance va doubler, elle est donc exponentielle.

Cette image vient de wikipédia

Oui, pour cela il faut un qubit, mais pas n’importe le quel.. un qubit logique.
Je vous rappel que les calculs se reposent sur des probabilités, pour avoir un qubit qui ne fait presque pas d’erreurs, 99,99% de réussite par exemple, on regroupe plusieurs qubits dit physique.
Vous ne comprenez pas? Pour faire simple regardez cette image à titre illustratif..

Maintenant, dites vous que pour faire ce qubit logique, tout ces qubits physique sont liés entre eux.
Eh oui, ils sont liés par un principe appelé l’intrication quantique.
En effet, cela semble irréaliste mais les particules peuvent être liés entre elles, même à grande distance, vous comprendrez mieux si vous regardez dans la partie de l’histoire de l’informatique quantique à la fin de cette vulgarisation.

Sinon, d’accord, l’ordinateur fait des calculs avec des 0 et des 1, mais il en fait quoi concrètement?
Ils passent par ce que l’on appel des portes quantiques, le principe est similaire aux ordinateurs classiques.
Sans trop rentrer dans les détails, Il existe différentes portes dont celle-ci :

Ceci est la représentation de la porte de Pauli, elle fait une inversion de valeur, c’est à dire que si la valeur 1 passe par cette porte, elle prendra la valeur 0 et inversement.
Nous pouvons également appelé cette porte quantique, la porte NOT.
Chaque portes a une spécificité et c’est ce qui permet de faire des calculs.

Quel champ d'application?

L’ordinateur quantique ne sera bien évidemment pas utilisé pour regarder des vidéos Youtube.. Il n’en sera d’ailleurs pas capable. En effet, il ne pourra pas exécuté n’importe quels calculs, de ce fait il ne remplacera jamais les ordinateurs que nous connaissons aujourd’hui mais va les compléter en donnant la possibilité de résoudre des calculs complexes infaisable jusqu’à maintenant ou bien accélérera certains calculs.

En vue de son usage, il sera essentiellement fait pour certaines entreprises qui en auront l’utilité et non pas pour le grand public. Toute fois, il sera surtout utilisé via le cloud, de nos jours cela existe déjà et nous pouvons essayer un ordinateur quantique gratuitement sur certains sites.

Les bénéfices?

L’ordinateur quantique pourra peut-être rendre le trafic plus simple en évitant de créer des embouteillages durant la circulation des véhicules. En effet, un test a déjà été effectué à Pékin sur 400 taxis et a porté ses fruits, mais gardez en tête que ce n’est pas pour tout de suite, la puissance de calcul n’est pas suffisamment puissante pour faire la même opération sur plusieurs millions de véhicules..

Il pourrait également être d’une grande utilité en ce qui concerne l’économie ou la santé, en effet il pourrait servir à simuler les interactions entres les atomes dans les molécules.
Pour quoi faire? Eh bien cela servirait à mieux comprendre le fonctionnement de certaines molécules et sera donc utilisé pour par exemple, concevoir des batteries plus performantes ou bien trouver des vaccins..

Les ordinateurs quantiques semblent être un atout dans certains cas en terme de consommation d’énergie. En effet, de nos jours, pour faire de gros calculs, les entreprises utilisent ce que l’on appelle des superordinateurs.

Il s’agit du superordinateur le plus puissant du monde, le superordinateur Fugaku. Son record étant de 514 millions de milliards d’opérations par secondes, il a consommé 30MW.

Ceci est l’un des ordinateurs quantiques existants dans le monde.
Actuellement, un ordinateur quantique consomme environs 25kW mais reste moins puissant qu’un ordinateur classique.

En ce qui concerne Pôle Emploi, l’ordinateur quantique pourrait servir à améliorer l’intelligence artificielle en accélérant leur capacité d’apprentissage (réseaux de neuronnes). Des algorithme pour cette objectif existent déjà, on appel cela la QML (Quantum Machine Learning).

De plus, l’informatique quantique est un véritable enjeux pour la sécurité des données. En effet, de nos jours, la sécurité se base sur le fait que décrypter de manière forcée des données prendrait beaucoup trop de temps à nos ordinateurs, même pour les plus puissant (en milliers voir millions d’années).
Par ailleurs, l’algorithme quantique capable de faire cela, l’algorithme de Shor, existe déjà mais seulement pour les ordinateurs quantiques.
Il est vrai que l’algorithme qui permettra de décrypter les données existe mais également celui qui va les sécurisées tel que la clé quantique BB84 ou bien la cryptographie post-quantique même si bien évidemment, l’ordinateur quantique en est à ses début, il est loin d’être à ce niveau là.

Pour faire simple donc, l’ordinateur quantique donne la possibilité de se protéger des ordinateurs quantiques..

Un mot existe pour exprimer cela, c’est une technologie dite pompier pyromane (qui apporte des problèmes et en apporte la solution).

Si vous voulez en savoir un peu plus sur la sécurité quantique, grossièrement, la clé quantique BB84 permettra par exemple de nous dire si une donnée s’est faite pirater ou non de par le fait que physiquement, si le pirate informatique essaie de la lire, la superposition ne fonctionne plus et donc le message sera modifié.

Une approche plus concrète de son utilité chez Pôle Emploi pourrait être de calculer le niveau de compétences des démandeurs d’emplois dans chaques régions afin de proposer des emplois de manière plus spécifique et donc plus productive.

Les obstacles ?

La logique utilisée en informatique et en informatique quantique n’est pas la même, il faut donc apprendre à codé en quantique. Il existe déjà des langages de programmation pour le quantique dont AQASM, dérivé du Python depuis 2017 par Atos.

L’ordinateur quantique étant encore en développement, coûte chère. Certains de ses composants dont la cryogénie et le câblage peut coûté jusqu’à $1M chacun.
De plus, étant vendu à petite échelle, son prix est élevé (Ajourd’hui, une seule entreprise dans le monde en vend, D-Wave pour $15M).
Son prix est amené à baisser avec le temps.

J’ai dit plus haut que l’ordinateur quantique nous protège de l’ordinateur quantique.. mais ce n’est pas totalement vrai, il existe une certaine faille.
Certaines personnes gardent les données cryptées d’aujourd’hui dans l’espoir de pouvoir les décryptées dans le futur donc bien que l’ordinateur quantique n’existe pas encore, il est nécessaire de s’en protéger le plus tôt possible, en particulier pour les grandes entreprises.

Vous vous souvenez, juste avant je vous ai parlé du temps de cohérence quantique.
À chaque qubit physique que l’on ajoute pour améliorer l’efficacité du qubit logique, cela crée un peu plus de chaleur et va donc baisser le temps de cohérence…

Pire encore, la superposition est possible qu’avec ce qui est infiniment petit, ce qui signifie que plus nous ajouterons de qubits physiques, plus elle va s’estomper puisque plus de matière implique une plus grande taille.

Pas facile tout ça, c’est d’ailleurs l’un des problèmes d’aujourd’hui.

"Peut-être", "pourrait", "semble".

En effet l’ordinateur quantique n’est pas quelque chose de certain, comme vous montre le schéma ci-dessous, les avis concernant sa concrétisation divergent..