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Le contrôle des bits quantiques prend de l’ampleur

Jean Pierre Fourcade
Jean Pierre
8 août 2016

Une nouvelle révolution est en marche avec la mécanique quantique au service de l’informatique.

Le rêve de l’informatique quantique a toujours été illustré dans la science-fiction depuis des décennies mais aujourd’hui, elle émerge des différents labos et va apporter sa puissance dans de nombreux domaines, de la cartographie des gènes à l’exploration spatiale. Elle permettra de répondre à l’humanité qui continue à générer des ensembles de données toujours plus grands — bien plus d’informations que l’informatique binaire peut effectivement traiter, gérer ou à comprendre.

Les bits vs. qubits

Les ordinateurs quantiques promettent une révolution pour la technologie informatique. Ils sont destinés à être construits à partir d’éléments de traitements élémentaires, appelés bits quantiques ou qubits. Bien que les éléments d’ordinateurs classiques (bits) ne peuvent être que dans deux états (logique zéro et logique un), les qubits sont basés sur des objets quantiques qui peuvent être dans une superposition cohérente de deux états, ce qui signifie qu’ils peuvent coder les états intermédiaires entre la logique zéro et un. Quand un qubit est mesuré, le résultat est soit un zéro ou un être avec une certaine probabilité (déterminée par les lois de la mécanique quantique).

Cependant, il y a un obstacle important dans la voie d’une révolution quantique, à savoir l’instabilité des états quantiques. Les objets quantiques qui sont utilisés pour créer des qubits — ions, électrons, effet de jonction Josephson, etc. — ne peuvent maintenir un certain état quantique que pour un temps très court. Cependant, les calculs non seulement exigent que les qubits conservent leur état, mais aussi qu’ils interagissent les uns avec les autres. Voilà l’objectif des physiciens du monde entier pour tenter de prolonger la durée de vie de qubits. Le Superconducting qubits utilisé à la survie des qubits de seulement quelques nanosecondes, tend maintenant à être conservé pendant des millisecondes avant leur décohérence , ce qui est plus proche du temps requis pour les calculs.

ordinateur-quantique

Une nouvelle approche pour simplifier la création d’un ordinateur quantique

Des scientifiques russes, Man’ko, Fedorov et Kiktenko, ont commencé à examiner le problème dans l’autre sens — plutôt que d’essayer de maintenir la stabilité d’un grand nombre de qubits, ils ont essayé d’augmenter les dimensions des systèmes nécessaires aux calculs. Ils étudient la possibilité d’utiliser des qudits plutôt que qubits pour les calculs. Les Qudits sont des objets quantiques où le nombre d’états possibles (niveaux) est supérieur à deux (leur nombre est désigné par la lettre D). Il y a qutrits avec trois états, ququarts (quatre états), etc. Les algorithmes sont maintenant activement à l’étude dans laquelle l’utilisation de qudits pourrait se révéler plus bénéfique que d’utiliser qubits.

Fedorov et ses collègues ont démontré que sur une qudit avec cinq niveaux, créée à l’aide d’un atome artificiel, il est possible d’effectuer des calculs quantiques complèts, en particulier la réalisation de l’algorithme Deutsch. Cet algorithme est conçu pour tester les valeurs d’un grand nombre de variables binaires.

IBM premier fournisseur publique d’informatique quantique.

Surnommé IBM Quantum Experience, donne la possibilité d’accéder au nouveau processeur 5 qubit au public via le Cloud d’IBM ce qui fournira aux utilisateurs la possibilité d’expérimenter avec des bits quantiques individuels (qubits), le processus de leurs propres expériences, et d’exécuter leurs propres algorithmes directement sur ce processeur.

Bien que les ordinateurs quantiques universels n’existent pas encore, IBM estime que les processeurs quantiques de 50 à 100 qubits seront une réalité dans la prochaine décennie. Un ordinateur quantique créé avec seulement 50 qubits serait déjà plus puissant que l’un des 500 meilleurs supercalculateurs du monde.

Watson, un programme informatique d'intelligence artificielle conçu par IBM
Watson, un programme informatique d'intelligence artificielle conçu par IBM

Google se prépare déjà contre les attaques quantiques

Les ordinateurs quantiques seront bientôt capables de résoudre certains problèmes qui sont actuellement bien au-delà de la portée des plus puissants supercalculateurs classiques. En cryptographie, par exemple, le temps nécessaire pour un ordinateur classique pour briser l’algorithme RSA basé sur la factorisation de grands nombres, serait comparable à l’âge de l’Univers. Un ordinateur quantique, d’autre part, pourrait résoudre le problème en quelques minutes.

Pour éviter cette catastrophe, les cryptographes commencent à mettre au point des algorithmes de chiffrements résistants à ces attaques quantiques. Google vient d’implémenter l’un de ces algorithmes entre Chrome et ses serveurs. Baptisé « New Hope ». Google se prépare d’ores et déjà car les ordinateurs quantiques pourront, s’ils sont suffisamment puissants, casser tous les algorithmes de chiffrement asymétrique. Or, les communications TLS sont chiffrées de façon symétrique, mais elles s’appuient sur des algorithmes asymétriques pour l’échange de la clé de chiffrement (en général c’est l’algorithme de Diffie-Hellman sur courbes elliptiques qui est utilisé). En d’autres termes, un acteur qui enregistre les communications chiffrées d’aujourd’hui pourra, le jour où il disposera d’un ordinateur quantique, casser toutes les clés de chiffrement et lire le contenu de ses communications.

Le quantique, un débat de communication.

Les « ordinateurs quantiques » actuels ne sont donc pour le moment que de faibles tranches de qubits, bien loin de l’« ordinateur universel », qui en nécessiterait plusieurs milliers.

Depuis le début de l’année, les acteurs du secteur se livrent à des campagnes de communication, mettant en avant leurs avancées sur la puissance opérée par leur système quantique.

Les puces supraconductrices de la célèbre société D-Wave sont encore une source de controverse. Le  produit a été commercialisé par son créateur, les systèmes canadiens de démarrage D-Wave, le considèrent comme étant le “premier ordinateur quantique commercial du monde”, mais il ne serait pas vraiment un ordinateur quantique, mais plutôt celui qui utilise les effets quantiques pour accélérer considérablement le traitement et l’optimisation des données.

Jusqu’à présent, aucun chercheur de D-Wave ou des instituts de recherches externes ont été en mesure de prouver de façon concluante que la D-Wave est capable de puiser dans la physique quantique afin d’effectuer des tâches plus rapidement que les ordinateurs d’aujourd’hui.

Même si les progrès avancent très vite, beaucoup restent à découvrir dans la prochaine décennie. Et peut-être qu’un jour, des réfrigérateurs remplis de puces quantiques remplaceront les unités centrales.

D-Wave, le premier ordinateur quantique commercial du monde
D-Wave, le premier ordinateur quantique commercial du monde

Jean Pierre Fourcade
Ecrit par
Jean Pierre Fourcade
A la frontière entre l’information, la recherche et le développement, ma mission est de surveiller l’évolution des technologies dans des domaines bien déterminés mais aussi au-delà. Je suis très souvent connecté sur de nombreux réseaux pour alimenter ma soif de connaissances par mes explorations dans le nouveau monde du numérique.

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