Un ordinateur quantique est souvent présenté comme une version super puissante d’un ordinateur classique. Mais il n'effectue pas des calculs des millions de fois plus rapidement, mais utilise un principe de fonctionnement différent et n'est efficace que pour certaines classes de problèmes. Il ne remplacera donc pas les PC habituels.
Dans le nouveau numéro de la rubrique « Quantum & After », nous parlons d’une pièce de monnaie en l’air (superposition), de gants dans des boîtes (enchevêtrement) et de pourquoi un ordinateur quantique n’est pas un « processeur très rapide ».
Réponse courte
Un ordinateur quantique utilise une approche fondamentalement différente du traitement des données, ce qui accélère les calculs plusieurs fois. Un bit classique prend la valeur 0 ou 1, tandis qu'un qubit peut être dans une superposition de ces états, et une description complète d'un système de N qubits est décrite par 2ⁿ amplitudes complexes. La clé de l'avantage n'est pas la « recherche parallèle », comme c'est souvent simplifié, mais l'interférence contrôlée des amplitudes, améliorant les solutions souhaitées.
Ce principe de calcul n'est efficace que pour une certaine classe de problèmes – par exemple, lors de la modélisation de systèmes quantiques, de la résolution de certaines fonctions d'optimisation et de la cryptanalyse. Ces appareils sont donc hautement spécialisés. Puisque la mesure d’un état quantique est probabiliste, le même algorithme est exécuté de manière répétée et les programmes écrits pour les PC classiques ne fonctionnent pas dessus.
Pourquoi est-ce ainsi
Le bit classique est une pièce posée sur la table avec face (0) ou face (1). Un qubit est une pièce de monnaie qui tourne sur sa tranche : pendant sa rotation, l'observateur ne sait pas de quel côté elle va atterrir après s'être arrêtée. Cet état de superposition est décrit par la formule |ψ⟩ = α|0⟩ + β|1⟩. Au moment de la mesure, la superposition est détruite (la fonction d'onde s'effondre) et le système prend l'un des deux états de base. La base physique des qubits est généralement constituée d’atomes, d’ions, de photons ou de circuits supraconducteurs.
Avant la mesure, le qubit est dans une superposition, c'est-à-dire que son état est une combinaison des états 0 et 1. Cela ne signifie pas qu'il est à la fois 0 et 1 au sens habituel. Au contraire, il n’a pas de signification classique spécifique.
Le deuxième phénomène clé est l’intrication quantique. On l'explique souvent à l'aide de l'exemple de gants disposés dans deux boîtes fermées : si celui de gauche se trouve dans la première, on comprendra immédiatement que celui de droite est dans la seconde. Mais la connexion entre les qubits intriqués est beaucoup plus complexe : jusqu'au moment de la mesure, ils n'ont tout simplement pas de propriétés cachées « prédéterminées ». Leur état est décrit comme un système quantique unique, quelle que soit la distance qui les sépare.
Le troisième élément, le plus sous-estimé, est l’interférence. L’affirmation populaire selon laquelle un ordinateur quantique « vérifie toutes les options en un seul cycle d’horloge » est une simplification excessive. Il est impossible de décoder les 2ⁿ états, puisque la mesure ne produira qu’un seul résultat.
L'essence de l'informatique quantique réside dans la manipulation des amplitudes de probabilité : l'algorithme est structuré de telle manière que les réponses incorrectes s'annulent en raison d'interférences destructrices et que l'option correcte est amplifiée. C’est pourquoi l’accélération quantique n’est pas universelle et dépend de la structure d’un problème spécifique. L'algorithme de Shor fournit des gains exponentiels dans les calculs de factorisation et de logarithme discret, l'algorithme de Grover ne fournit qu'une augmentation quadratique de la vitesse dans la recherche non structurée, tandis que la simulation de molécules et de catalyseurs est la tâche fondamentale d'une telle architecture.
Les limitations décrites nécessitent une utilisation prudente du terme « suprématie quantique ». Historiquement, ce phénomène a été démontré principalement sur des problèmes synthétiques (par exemple, l'échantillonnage de circuits quantiques aléatoires) qui n'ont aucune valeur pratique. Souvent, après les affirmations de suprématie quantique, de nouveaux algorithmes classiques apparaissent. Actuellement, le leadership en matière de référence ne fait que confirmer la viabilité des concepts physiques, mais n'indique pas la création d'un produit commercialement applicable.
Qu'est-ce que ça veut dire
Lorsqu’il s’agit d’investir dans l’industrie de la technologie quantique, il est important de regarder au-delà du nombre de qubits physiques. La précision des opérations, le niveau d’erreurs et le temps pendant lequel les qubits conservent leur état quantique en disent bien plus sur la maturité de la technologie.
En pratique, les ordinateurs quantiques ne sont pas encore capables de remplacer les centres de données. Ils agissent comme des accélérateurs dans des connexions hybrides avec des superordinateurs classiques, résolvant des problèmes précis : de la recherche de nouveaux matériaux et molécules pour la pharmacologie à l'optimisation des risques du portefeuille.
Pour le marché de la cryptographie, cela signifie que la menace pour l'ECDSA n'est pas la puissance de calcul abstraite, mais l'utilisation de l'algorithme de Shor pour calculer le logarithme discret. L’estimation des ressources nécessaires pour déchiffrer une courbe elliptique de 256 bits est d’environ 1 200 qubits logiques. Dans le même temps, les exigences en matière de piratage RSA-2048 au cours des six dernières années, ils sont passés de 20 millions de qubits physiques à moins d’un million. C'est la dynamique du progrès quantique et la part des pièces dans les adresses à clé publique qui doivent être surveillées, et non les gros titres sur les nouveaux records.
Q-check ForkLog : pourquoi avons-nous besoin d'un ordinateur quantique
Est-ce que ça remplacera le PC ?
Non, il s'agit d'un appareil hautement spécialisé.
Quel est l'avantage ?
La capacité de résoudre efficacement des problèmes individuels inaccessibles aux algorithmes classiques dans un délai raisonnable.
Où pouvons-nous espérer le véritable effet ?
En chimie quantique, science des matériaux, développement de catalyseurs, optimisation et cryptanalyse.
L'accélération sera-t-elle universelle ?
Non. L'algorithme de Shor donne une augmentation exponentielle de la vitesse, l'algorithme de Grover est quadratique et pour d'autres problèmes, il n'existe pas encore de solutions efficaces.
Excellence = bénéfice ?
Pas encore. Il ne s'agit plus que d'une démonstration de capacités physiques sur des tests artificiels.
Quelle est la prochaine étape ?
Un ordinateur quantique a un problème fondamental : les qubits perdent leur état quantique en quelques microsecondes. Dans le prochain numéro, nous examinerons la décohérence et la correction d'erreurs. Expliquons pourquoi des centaines de qubits physiques sont nécessaires pour créer un qubit logique et pourquoi l'avenir de l'industrie dépend de la résolution de ce problème.
A lire dans les numéros précédents :
- Est-il possible de gagner de l’argent grâce aux technologies quantiques ?
- Comment les blockchains se préparent à l’ère « quantique ».
- Est-il possible de pirater l’Internet quantique ?
- L’ordinateur quantique est-il un tueur de Bitcoin ?
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