L’ Informatique Quantique
1- Concept et définition
Selon wikipedia : L’informatique quantique est le sous-domaine de l’informatique qui traite des calculateurs quantiques utilisant des phénomènes de la mécanique quantique, par opposition à ceux de l’électricité exclusivement, pour l’informatique dite « classique ».
Pour faire simple, on dirait qu’un ordinateur quantique est l’équivalent des ordinateurs classiques mais à la différence, un ordinateur quantique utilise directement les lois de la physique quantique pour créer des systèmes de calcul quant aux ordinateurs classiques qui eux se basent plutôt sur les lois de la physique classique.
Le concept de l’informatique quantique est plutôt simple dans la compréhension, mais devient tout de suite très délicate dès lors qu’il s’agit de l’implémentation. son principe de fonctionnement se base donc sur les propriétés quantiques issues de la mécanique quantique, une branche de la physique ayant pour objet l’étude et la description des phénomènes physiques à l’échelle atomique et subatomique (plus petite unité indivisible dont est constitué la matière)
Ainsi pour mieux appréhender ce nouveau concept d’informatique quantique, il faut nécessairement comprendre le fonctionnement des ordinateurs classiques que nous utilisons au quotidien.
2 - Fonctionnement normale d’un ordinateur classique
On a l’ impression qu’un ordinateur fait plein de choses, mais en réalité, il n’a qu’une seule mission: celle de traiter l’information (d’où le mot “informatique“). Il manipule les informations, les stocke sur notre disque dur, les traite avec son processeur, et ensuite il transforme ces informations en son (dans nos hauts parleurs), ou en image (sur nos écrans). L’ordinateur manipule les informations sous forme binaire, c’est-à-dire avec des 0 et des 1. Cette modélisation en 0 et 1 est le résultat d’une suite de comparaison de hautes tensions et de basses tensions électriques effectuées par l’ordinateur. Si nous avons par exemple une tension de 5V, cela correspondra à l’état logique 1, et si nous avons 0 Volt, l’état logique sera 0. C’est là l’origine du fait que l’ordinateur « compte en binaire » : il ne fait que comparer des 0 et des 1. Ainsi pour une meilleur manipulation de ces bits, l’ordinateur est rempli de petits composants électroniques qui travaillent ensemble qu’on appelle “des transistors”. plusieurs transistors câblés entre eux de manière précise forment une porte logique. plusieurs portes logiques assemblées donnent des circuits permettant d’effectuer des calculs simples (additions, multiplication …).
L’assemblage de ces portes logiques forme un circuit intégré, capable de faire un très grand nombre de fonctions complexes. Comme exemple de circuit intégré, on pourrait citer par exemple le processeur.
Un processeur actuel comporte plusieurs milliards de transistors. Le nombre de transistors sur un processeur suit à peu près la loi de Moore énoncée en 1965, du nom d’un des fondateurs d’Intel qui prédit alors cette loi empirique. Cette loi concerne l’évolution de la puissance de calcul des ordinateurs. Selon elle, le nombre de transistors double tous les deux ans et donc double également la puissance des ordinateurs. En effet Moore avait déclaré en 1997 que cette croissance des puces serait confrontés aux environ de 2017 à des limites physiques, celle de la tailles des atomes. Et nous y sommes, depuis quelques années, on constate un ralentissement du rythme de doublement des puces. En 2014, les premières puces gravées en 14 nanomètre sont arrivé avec un an de retard, celle de 7 nanomètres, ne pourra pas être prête avant 2020. Or comme l’avait prédit Moore, à cette taille, certains élément du transistor ne sont désormais constitués que de quelque atomes. Nous touchons ainsi aux limites de la physique classique. En réduisant trop la taille de la structure des transistors, il risque de se créer des interactions électroniques entre les transistors eux même (l’effet tunnel par exemple, un effet de la mécanique quantique) et cela peut créer des problèmes…
De ce fait, il faudra donc utiliser une solution autre que celle des puces en silicium, si l’on veut continuer à augmenter la puissance des ordinateurs…
3 - Du bit au qbit
Les ordinateurs actuels sont très puissants et capable de traiter rapidement les informations, pourtant ils ne suffisent pas pour quand il s’agit de gérer des milliards d’opérations par secondes de plus en plus complexes. Les chercheurs ont donc trouver un moyen de faire des calculs encore plus rapidement. Et c’est ce rôle que pourra jouer l’ordinateur quantique. Pour cette nouvelle génération d’ordinateur, on laisse derrière nous le concept des bits. Ici on parle plutôt de qbit. Les qubits sont les éléments de manipulation de base de l’information dans les ordinateurs quantiques. Ils s’opposent aux bits de l’informatique traditionnelle. Imaginons un système informatique binaire, avec un registre de 4 bits, on peut forme ainsi 16 états possible pour le registre qui permettent de représenter des nombres entre 0 et 15.
Imaginons maintenant un registre quantique de 4 bits, dans ce cas précis, il peut être dans une superposition de ces 16 états et encore plus on pourrait ajouter des coefficients sur ces états pour varier les proportions. Schématiquement, être dans 16 états à la fois permettrait de faire 16 calcul en parallèles. Un ordinateur quantique à 4 qbits va donc calculer 16 fois plus rapidement qu’un ordinateur classique à 4 bits, et ainsi de suite. On double donc la puissance d’un ordinateur quantique à chaque fois qu’on lui ajoute un qbit ! Ce qui n’est pas le cas pour un ordinateur classique. De manière générale, avec n qubits on va 2 puissance n fois plus vite qu’un ordinateur classique.
4 - Les enjeux des ordinateurs quantiques
L’ informatique quantique est soutenu financièrement par plusieurs organisations, entreprises ou gouvernements. Tous avec un but commun, celui d’accélérer considérablement le traitement des algorithmes hors de portées des ordinateurs classiques. Quel que soit leur domaine d’activité, les entreprises pourront tirer parti d’un ordinateur quantique, ne serait-ce qu’à travers l’intelligence artificielle et le machine learning. Avec un ordinateur quantique, on pourra améliorer la précision des algorithmes utilisés. Au cours de la phase d’apprentissage d’un système d’IA, telle qu’une reconnaissance d’images, les informations pourront être simultanément reconnues et non de façon séquentielle comme c’est le cas actuellement avec les processeurs classiques (examiner une situation, puis une autre, etc.).
L’un des problèmes actuel que l’on espère résoudre grâce aux ordinateurs quantiques, est bien la factorisation des nombres entiers. Le principe de la factorisation se base sur la décomposition d’un nombre en produit de facteur premiers
Si on prend un très grand nombre à factoriser, ce calcul prend beaucoup de temps. Raison pour laquelle il sert de base à certains algorithmes de cryptographie, comme par exemple l’algorithme RSA… Pour craquer ce genre de cryptage, avec un ordinateur classique, ça prendrait un temps énorme. Or avec l’informatique quantique, la factorisation en produit de nombres premiers se fait de façon quasi instantanée. De ce fait, cette nouvelle technologie soulève de nombreuses questions, comme par exemple la sécurité des codes secrets. En effet, la cryptographie, qui met en place tous les systèmes de chiffrement utilisés par les banques, pour les cartes bancaires, les sites internet, etc, repose sur une force d’algorithmique suffisamment solides pour ne pas être cassés même par des superordinateurs puissants. Par contre, avec l’arrivée des ordinateurs quantiques qui sont dotés d’une très grande puissance de calculs (100 millions de fois plus rapide) laisse planer de gros doutes sur la solidité de ces codes. Il serait donc peut être nécessaire d’évoluer vers une cryptographie quantique pour palier à ce problème.
Par ailleurs grâce aux ordinateurs quantiques, on pourra simuler, de manière exacte, la structure et le fonctionnement de grosses molécules dans le domaine médical, On pourra également accélérer de manière efficace la recherche d’une information spécifique dans une vaste base de données (data mining), Aussi on pourrait calculer les indicateurs météorologiques avec une précision jamais égalée…
L’enjeu est vraiment énorme. Raison de plus pour que de grosses firmes technologiques comme Google, Microsoft, IBM etc… se lancent dans une course effrénée. Chacun expérimentant des voies technologiques différentes. Alors, à quand un ordinateur quantique fonctionnel ? « Peut-être dans dix ans ou vingt ans. »
5 - Les limites de l’informatique quantique
Ce qu’il faut comprendre, c’est que l’ordinateur quantique effectue ses calculs en utilisant les propriétés de la physique quantique (superposition, intrication). Ça permet des calculs complexes. Mais lorsqu’on essaye de lire le résultat d’un calcul quantique, il se passe ce qu’on appelle un effondrement quantique. En d’autre terme, le système quantique perd son caractère quantique lorsqu’on effectue une mesure.
Observer des particules élémentaires telles que des photons ou des molécules dans des états de “superposition quantique” est très délicat. ces états sont extrêmement fragiles : à la moindre perturbation extérieure, ils s’effondrent. Or cette propriété quantique est l’une des propriétés importantes sur lesquelles se basent les ordinateurs quantiques pour traiter l’information de façon simultanée.
Pour faire un ordinateur quantique, il faut plusieurs qubits. Mais plus le nombre des qubits augmente, plus ceux-ci perdent leurs propriétés quantiques. Ce phénomène s’appelle la décohérence. l’ensemble des qubits se transforme en un objet classique. La superposition est alors détruite, et sans elle pas de calcul simultané. Ces différents points énumérer parmi tant d’autre restent actuellement des défis majeurs de l’informatique quantique. Ces problèmes sont actuellement au cœur des recherches. On arrive malgré tout à fabriquer, avec un nombre limité de qubits, des ordinateurs quantiques pour faire certaines simulations.
6 - Conclusion
A l’heure actuelle, les recherches sur les ordinateurs quantiques avancent très rapidement, mais nous n’en sommes encore qu’au début de l’aventure tel les ordinateurs dans les années 60. Le défi à relever reste encore énorme vu la complexité de cette nouvelle technologies. Les ordinateurs quantiques sont d’une telle complexité qu’ils ne sont pas destinés au grand public. Ils seraient seulement utiles pour des applications très spécifiques, là où les ordinateurs classiques sont impuissants. Pour nos utilisations quotidiennes à savoir surfer sur internet ou écouter de la musique…, les bits classiques suffisent largement.
En attendant, des entreprises comme Atos préfèrent se concentrer sur la simulation de processeurs quantiques, ce qui permettrait aux chercheurs de faire en sorte qu’un écosystème logiciel soit prêt quand ce type de matériel sera disponible.
Une approche également partagée par Microsoft : “Ce qui nous intéresse, c’est de créer une communauté de développeurs capables de maîtriser la programmation quantique”, déclare Bernard Ourghanlian.
SOURCE :
https://fr.wikipedia.org/wiki/Informatique_quantique
https://www.institut-pandore.com/physique-quantique/informatique-ordinateur-quantique/
http://www.cea.fr/comprendre/pages/nouvelles-technologies/essentiel-sur-ordinateur-quantique.aspx
https://lehollandaisvolant.net/tuto/computer/
https://www.youtube.com/watch?v=bayTbt_8aNc
https://digitactublog.wordpress.com/2016/03/28/ordinateur-quantique-vs-ordinateur-classique/
