Il n’y a pas si longtemps, les limites des ordinateurs classiques ont poussé les scientifiques à développer un nouveau type d’informatique : l’informatique quantique. Les ordinateurs quantiques utilisent des qubits au lieu des bits classiques et peuvent effectuer certains calculs beaucoup plus rapidement que les ordinateurs classiques. Cet avantage peut potentiellement transformer de nombreux domaines et rendre notre vie meilleure. Dans cet article, nous fournirons un aperçu de l'informatique quantique, y compris des industries et des domaines qui pourraient être révolutionnés par l'informatique quantique. Nous discuterons également des défis et des risques associés à cette technologie, ainsi que de ce que l’avenir lui réserve.
Intérieur d'un système informatique IBM Quantum. (Crédit : IBM
)
Qu’est-ce que l’informatique quantique ?
L'informatique a parcouru un long chemin depuis que la théorie quantique a été développée dans les années 1920 et que le premier ordinateur programmable, l'Electronic Numerical Integrator and Computer ( ENIAC
), a été construit en 1945. La machine était la première « automatique, à usage général, électronique, ordinateur numérique décimal », d'après le livre d'Edwin D. Reilly « Milestones in Computer Science and Information Technology ». Qu’est-ce que l’informatique quantique exactement ? En bref, il s'agit d'une technologie en plein essor qui exploite les lois de la mécanique quantique pour résoudre des problèmes complexes d'une manière plus efficace et plus puissante que les ordinateurs classiques. Pour certains problèmes, les supercalculateurs ne sont pas si géniaux. À la base, l’informatique quantique repose sur l’utilisation de bits quantiques (qubits) pour traiter et manipuler les informations. Contrairement aux bits classiques, qui ne peuvent exister que dans l’un des deux états (0 ou 1), les qubits peuvent exister dans plusieurs états simultanément en raison du phénomène de superposition. Cela permet aux ordinateurs quantiques d’effectuer de nombreux calculs simultanément. Un autre principe clé de l'informatique quantique est l'intrication , qui permet aux qubits d'être corrélés de telle manière que l'état d'un qubit peut instantanément affecter l'état d'un autre, même s'ils sont physiquement séparés. Cela permet aux ordinateurs quantiques d’effectuer certaines tâches beaucoup plus rapidement que les superordinateurs – factorisation de grands nombres, recherche dans de grandes bases de données, etc.
Comment fonctionnent les ordinateurs quantiques ?
Comme nous venons de le mentionner, les ordinateurs quantiques utilisent des qubits au lieu de bits pour exécuter des algorithmes quantiques multidimensionnels. Les qubits sont créés à l'aide de supraconducteurs, qui présentent des effets mécaniques quantiques tels que des paires de Cooper capables de transporter une charge à travers des isolants via un tunnel quantique. Le comportement des qubits peut être contrôlé et manipulé en leur tirant des photons micro-ondes. Les qubits peuvent être placés dans un état de superposition, représentant une combinaison de toutes les configurations possibles du qubit. Des groupes de qubits superposés peuvent créer des espaces de calcul complexes qui peuvent représenter des problèmes complexes de manière nouvelle. Les ordinateurs quantiques sont plus petits et nécessitent moins d’énergie que les superordinateurs, mais doivent être très froids, ce qui est obtenu grâce à des superfluides super-refroidis.
L’informatique quantique est un domaine en évolution rapide qui va révolutionner la manière de résoudre des problèmes complexes. Plusieurs entreprises, dont IBM, Google et Rigetti, ont déjà construit des ordinateurs quantiques et les utilisent. La taille de ces ordinateurs varie de quelques qubits à plus de 100 qubits, et chacun possède sa propre architecture et son propre ensemble de fonctionnalités.
En 2017, Rigetti a annoncé la disponibilité bêta publique de Forest 1.0, le premier environnement de programmation full-stack au monde pour l'informatique quantique.
Le Sycamore
de Google est un processeur quantique doté de 53 qubits. Il a été développé en 2019 et prétendait accomplir une tâche en 200 secondes qui nécessiterait 10 000 ans à un superordinateur haut de gamme.
L'ordinateur quantique IBM Quantum System One
a également été introduit par IBM en 2019. Il contient un processeur quantique transmon de 20 qubits hébergé dans un système informatique de 2,7 x 2,7 x 2,7 mètres. Il est intéressant de noter qu'IBM a annoncé le nouveau processeur « Osprey » de 433 qubits lors de l'IBM Quantum Summit 2022.
« Le nouveau processeur « Osprey » de 433 qubits nous rapproche du point où les ordinateurs quantiques seront utilisés pour résoudre des problèmes auparavant insolubles », – Dr Darío Gil, vice-président principal d'IBM et directeur de la recherche. Outre les développements matériels, les outils logiciels pour l’informatique quantique progressent également. Les langages de programmation tels que Q# et Qiskit permettent aux développeurs d'écrire des programmes quantiques et de les exécuter sur du matériel ou des simulateurs quantiques. Cependant, l’informatique quantique se heurte encore à certains défis et limites. Le principal est la correction d'erreurs . Au fur et à mesure qu’un programme quantique s’exécute, les erreurs s’accumulent rapidement, posant des défis aux scientifiques. Il est donc crucial de développer des méthodes efficaces de correction d’erreurs pour construire des ordinateurs quantiques fiables et à grande échelle. Une autre limitation importante est l'évolutivité . Bien qu’il existe déjà des ordinateurs quantiques dotés de dizaines ou de centaines de qubits, construire un ordinateur quantique à grande échelle doté de milliers ou de millions de qubits reste un défi. Il existe toutefois un certain optimisme quant à la capacité de surmonter ces défis dans les années à venir, ouvrant ainsi la voie à une adoption plus large de l’informatique quantique. Les systèmes IBM Quantum promettent d'atteindre plus de 4 000 qubits d'ici 2025 et au-delà.
Comment l’informatique quantique change-t-elle le monde ? Applications réelles
Cela étant dit, il existe déjà plusieurs cas d’utilisation dans différents secteurs où l’informatique quantique donne des résultats étonnants.
Soins de santé
L’un des domaines les plus prometteurs est celui des soins de santé. Les ordinateurs quantiques peuvent simuler le comportement des molécules et des matériaux avec plus de précision que les ordinateurs classiques, ce qui pourrait accélérer la découverte de nouveaux médicaments et traitements contre les maladies. Par exemple, des algorithmes quantiques tels que le Variational Quantum Eigensolver (VQE) peuvent être utilisés pour calculer la structure électronique des molécules avec plus de précision que les méthodes classiques. De plus, l’informatique quantique peut être utilisée pour analyser de vastes ensembles de données provenant de dossiers médicaux et d’essais cliniques afin d’identifier de nouvelles cibles pour la découverte de médicaments. Un autre exemple de la façon dont l’informatique quantique pourrait être utilisée dans le domaine de la santé est le criblage virtuel de candidats médicaments. Cela implique de rechercher dans de grandes bases de données de médicaments potentiels pour identifier ceux possédant les propriétés souhaitées. L’informatique quantique est capable d’accélérer ce processus en recherchant efficacement de grandes quantités de données, ce qui accélère la découverte et le développement de médicaments.
Finance
Une autre application importante de l’informatique quantique pourrait résider dans l’optimisation de problèmes, tels que ceux rencontrés dans le domaine financier. L'informatique quantique pourrait être utilisée pour améliorer la modélisation financière et la gestion des risques. Par exemple, les algorithmes quantiques peuvent être utilisés pour analyser rapidement de grands ensembles de données et faire des prédictions sur les tendances du marché. De plus, la cryptographie quantique peut être utilisée pour sécuriser les transactions financières et se protéger contre les cybermenaces. La distribution de clés quantiques (QKD) est une technique qui utilise les principes de la mécanique quantique pour transmettre en toute sécurité des clés de chiffrement entre deux parties. QKD exploite la puissance des qubits intriqués pour créer une clé impossible à intercepter sans être détectée.
Logistique
L'informatique quantique peut potentiellement être utilisée pour optimiser la gestion de la chaîne d'approvisionnement, en réduisant les coûts de transport et en améliorant les délais de livraison. Par exemple, des algorithmes quantiques peuvent être utilisés pour analyser rapidement les itinéraires de transport et de distribution les plus efficaces. De plus, l’informatique quantique pourrait être utilisée pour résoudre des problèmes de planification complexes, tels que ceux rencontrés dans la planification des compagnies aériennes et des chemins de fer.
Énergie
Les algorithmes quantiques peuvent être utilisés pour simuler le comportement des matériaux utilisés dans les dispositifs de stockage d'énergie, conduisant ainsi au développement de batteries plus efficaces. En outre, l’informatique quantique pourrait être utilisée pour optimiser la production d’énergie en analysant les conditions météorologiques et en prédisant la demande énergétique.
Fabrication
Étant donné que l’informatique quantique est capable d’analyser de grands ensembles de données et de prédire des calendriers de production optimaux, elle peut également être d’une grande utilité dans le secteur manufacturier. Comme vous le voyez, les applications potentielles de l’informatique quantique sont vastes et de nombreuses industries peuvent être transformées par cette technologie.
« Peurs » du futur
De tout cela, il est facile de conclure que l’impact de l’informatique quantique sur la société sera significatif. Et comme pour toute autre technologie révolutionnaire, l’informatique quantique comporte certains risques. L’un des défis les plus importants concerne les implications éthiques et sociétales de la technologie. L'informatique quantique a le potentiel de briser de nombreuses méthodes de cryptage utilisées pour sécuriser les données sensibles, ce qui pourrait entraîner des violations de la vie privée et d'autres problèmes de sécurité. En outre, l’informatique quantique pourrait être utilisée pour développer de nouvelles armes et technologies susceptibles de constituer une menace pour la sécurité mondiale.
Résumé
Alors que l'informatique quantique présente plusieurs défis et risques, de nombreuses organisations s'efforcent activement d'y remédier en développant de nouvelles méthodes de chiffrement, en améliorant le matériel et les logiciels quantiques, ainsi qu'en offrant des opportunités de formation et d'éducation. Nous pensons donc que l’informatique quantique va révolutionner le monde dans le bon sens. En développant des technologies quantiques robustes et fiables, nous pouvons libérer tout le potentiel de l’informatique quantique et créer un avenir meilleur pour l’informatique et la société dans son ensemble. L’heure de l’action est arrivée, alors continuez à découvrir le monde de la technologie avec CodeGym !
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