Qu’est-ce que l’avantage quantique ? Un chercheur en informatique quantique explique une étape imminente marquant l’arrivée d’ordinateurs extrêmement puissants

L’ordinateur quantique d’IBM a retenu l’attention du dirigeant Joe Biden. Mandel Ngan/AFP via Getty ImagesL’avantage quantique est l’étape vers laquelle le secteur de l’informatique quantique travaille avec ferveur, où un ordinateur quantique peut résoudre des problèmes qui sont hors de portée des ordinateurs non quantiques ou classiques les plus puissants. Le quantum fait référence à l’échelle des atomes et des molécules où les lois de la physique telles que nous les expérimentons s’effondrent et où un assortiment de lois différent et contre-intuitif s’applique. Les ordinateurs quantiques profitent de ces comportements étranges pour résoudre des problèmes. Il y a plusieurs certains types de problèmes qui ne peuvent pas être résolus par les ordinateurs classiques, comme le piratage des algorithmes de chiffrement de pointe. Les recherches menées au cours des dernières années ont montré que les ordinateurs quantiques ont le potentiel de résoudre certains de ces problèmes. Si un ordinateur quantique peut être construit pour résoudre réellement l’un de ces problèmes, il aura démontré un avantage quantique. Je suis un physicien qui étudie le traitement de l’information quantique et le contrôle des systèmes quantiques. Je crois que cette frontière de l’innovation chercheur et technologique promet non seulement des progrès révolutionnaires en matière de calcul, mais représente aussi un essor plus large de la technologie quantique, y compris des progrès significatifs dans la cryptographie quantique et la détection quantique. La source de la puissance de l’informatique quantique Le bit quantique, ou qubit, est au cœur de l’informatique quantique. Contrairement aux bits classiques, qui ne peuvent être que dans les pays 0 ou 1, un qubit peut être dans n’importe quel état qui est une combinaison de 0 et 1. Cet état qui ne contient ni seulement 1 ni seulement 0 est connu sous le nom de superposition quantique. Avec chaque qubit supplémentaire, le nombre d’états pouvant être représentés par les qubits double. Cette propriété est souvent confondue avec la source de la puissance de l’informatique quantique. Il s’agit plutôt d’un jeu complexe de superposition, d’interférence et d’enchevêtrement. L’interférence implique la manipulation des qubits afin que leurs états se combinent de manière constructive lors de les calculs pour amplifier les solutions correctes et de manière destructrice pour supprimer les mauvaises réponses. L’interférence constructive se produit quand les pics de deux ondes – comme les ondes sonores ou les vagues océaniques – se combinent pour créer un pic plus élevé. L’interférence destructrice se produit lorsqu’un pic et un creux d’onde se combinent et s’annulent. Les algorithmes quantiques, peu nombreux et difficiles à concevoir, établissent une séquence de modèles d’interférence qui donnent la bonne réponse à un problème. L’intrication établit une corrélation quantique unique entre les qubits : l’état de l’un ne peut pas être décrit indépendamment des autres, quelle que soit la distance qui les sépare. C’est ce qu’Albert Einstein a qualifié d’« action effrayante à distance ». Le attitude collectif de l’intrication, orchestré par un ordinateur quantique, permet des accélérations de calcul hors de portée des ordinateurs classiques. Les uns et les zéros – et tout le reste – de l’informatique quantique. Applications de l’informatique quantique L’informatique quantique a de nombreuses utilisations potentielles dans lesquelles elle peut surpasser les ordinateurs classiques. En cryptographie, les ordinateurs quantiques représentent à la fois une opportunité et un défi. Plus célèbre encore, ils ont le potentiel de déchiffrer les algorithmes de chiffrement actuels, tels que le schéma RSA largement utilisé. L’une des conséquences de cette situation est que les protocoles de chiffrement actuels doivent être repensés pour résister aux futures attaques quantiques. Cette reconnaissance a conduit au secteur florissant de la cryptographie post-quantique. Après un long processus, l’Institut national des normes et technologies a récemment sélectionné quatre algorithmes résistants aux quantiques et a commencé à les préparer afin que les organisations du monde entier puissent les employer dans leur technologie de cryptage. En outre, l’informatique quantique peut considérablement accélérer la simulation quantique : la compétence de prédire le résultat d’expériences menées dans le secteur quantique. Le célèbre physicien Richard Feynman a envisagé cette possibilité il y a plus de 40 ans. La simulation quantique offre un potentiel de progrès considérables en chimie et en science des composants, aidant dans des secteurs tels que la modélisation complexe de structures moléculaires pour la découverte de médicaments et permettant la découverte ou la réalisation de composants dotés de propriétés nouvelles. Une autre utilisation de la technologie de l’information quantique est la détection quantique : détecter et mesurer des propriétés physiques telles que l’énergie électromagnétique, la gravité, la pression et la température avec une plus grande sensibilité et précision que les instruments non quantiques. La détection quantique a une multitude d’applications dans des secteurs tels que la surveillance environnementale, l’exploration géologique, l’imagerie médicale et la surveillance. Des initiatives telles que la programmation d’un Le web quantique interconnectant les ordinateurs quantiques constituent des étapes cruciales pour rapprocher les mondes de l’informatique quantique et classique. Ce réseau serait peut-être sécurisé à l’aide de protocoles cryptographiques quantiques tels que la distribution de clés quantiques, qui permettent des canaux de communication ultra-sécurisés et protégés contre les attaques informatiques, y compris celles utilisant des ordinateurs quantiques. Malgré le nombre croissant d’applications pour l’informatique quantique, la programmation de nouveaux algorithmes exploitant pleinement l’avantage quantique – particulièrement dans l’apprentissage automatique – reste un secteur critique de recherche en cours. Un prototype de capteur quantique développé par des chercheurs du MIT peut détecter n’importe quelle fréquence d’ondes électromagnétiques. Guoqing Wang, CC BY-NC-ND Rester cohérent et surmonter les erreurs Le secteur de l’informatique quantique est confronté à des obstacles importants en matière de développement matériel et logiciel. Les ordinateurs quantiques sont très sensibles à toute interaction involontaire avec leur environnement. Cela conduit au phénomène de décohérence, où les qubits se dégradent rapidement vers les pays 0 ou 1 des bits classiques. Bâtir des systèmes informatiques quantiques de grande ampleur en capacité de tenir la promesse d’accélérations quantiques nécessite de surmonter la décohérence. La clé consiste à développer des techniques efficaces pour supprimer et corriger les erreurs quantiques, un secteur sur lequel se concentrent mes propres recherches. Pour relever ces défis, de nombreuses startups de matériel et de logiciels quantiques ont émergé aux côtés d’acteurs bien établis de l’industrie technologique comme Google et IBM. Cet intérêt de l’industrie, combiné à des investissements importants de la part des gouvernements du monde entier, souligne une reconnaissance collective du potentiel de transformation de la technologie quantique. Ces initiatives favorisent un écosystème riche où le monde universitaire et l’industrie collaborent, accélérant ainsi les progrès dans le secteur. L’avantage quantique en vue L’informatique quantique pourrait un jour être également disruptive que l’arrivée de l’IA générative. Actuellement, la programmation de la technologie informatique quantique se trouve à un tournant crucial. D’une part, ce secteur a déjà montré les premiers signes d’un avantage quantique étroitement spécialisé. Des chercheurs de Google et plus tard une équipe de chercheurs en Chine ont démontré l’avantage quantique de générer une liste de nombres aléatoires possédant certaines propriétés. Mon équipe de recherche a démontré une accélération quantique pour un jeu de devinettes de nombres aléatoires. D’un autre côté, il y a plusieurs un risque tangible d’entrer dans un « hiver quantique », une période de réduction des investissements si les résultats pratiques ne se concrétisent pas à court terme. Tandis que l’industrie technologique s’efforce d’offrir un avantage quantique en matière de produits et de services à court terme, la recherche universitaire reste concentrée sur l’étude des principes fondamentaux qui sous-tendent cette nouvelle science et technologie. Cette recherche fondamentale continue, alimentée par des cadres enthousiastes d’étudiants nouveaux et brillants du type que je rencontre quasiment tous les jours, garantit que le secteur continuera à progresser. Daniel Lidar reçoit un financement de la NSF, de la DARPA, de l’ARO et du DOE.