Comprendre L'ordinateur Quantique En 5 Questions

Comprendre l'ordinateur quantique en 5 questions

Depuis quelques mois, on entend de plus en plus parler des ordinateurs quantiques. Les recherches se sont accélérées dans ce domaine et de grandes entreprises comme Microsoft ou Google se sont lancées dans la construction de ce type de calculateurs, qui pourraient bien révolutionner l'informatique. Pourtant, bien malin qui pourrait expliquer ce qu'est un ordinateur quantique et comment il fonctionne ! Nous vous proposons d'en savoir plus sur cette innovation en 5 questions.

1- C'est quoi, un calculateur quantique ?

Un ordinateur quantique, aussi appelé quantum computer en anglais, est un calculateur qui utilise les propriétés quantiques de la matière pour effectuer ses calculs.

Alors qu'un ordinateur classique manipule des données binaires ou bits (codées à l'aide de 0 et de 1), un calculateur quantique travaille sur des q-bits.

Dans nos ordinateurs actuels, tout ce qui défile sur l'écran est stocké quelque part sous forme de 0 et de 1. Dans les circuits de la machine, si le courant passe, c'est un 1 et s'il ne passe pas, c'est un 0.

Les microprocesseurs sont d'ailleurs des assemblages de transistors qui manipulent l'information sous cette forme binaire.

L'ordinateur quantique est différent car il utilise des q-bits, c'est-à-dire des bits qui obéissent aux lois de la mécanique quantique.

2- Quel est le principe ?

Les q-bits que les ordinateurs quantiques servent à manipuler obéissent notamment à un principe fondamental de la mécanique quantique : le principe de superposition.

Ce principe énonce qu'un objet quantique peut se trouver dans une superposition de plusieurs états.

En pratique, cela signifie qu'un q-bit n'est pas seulement soit dans l'état 0 soit dans l'état 1, mais qu'il peut être dans une superposition des deux, en quelque sorte dans les deux états à la fois !

3- Quel est l'intérêt des q-bits ?

Pour comprendre l'intérêt d'un q-bit par rapport à un bit classique, il faut s'imaginer que l'on a un calcul à faire.

Si l'on doit faire ce calcul en prenant successivement comme donnée d'entrée le nombre 0 puis le nombre 1 :
=> avec un système classique, il va falloir faire ce calcul deux fois (une fois avec 0 en entrée et une fois avec 1)
=> avec un q-bit en entrée, on va pouvoir faire les deux calculs en une seule fois.

Si un ordinateur quantique permet de faire une seule opération au lieu de deux, doit-on en conclure qu'il s'agit simplement d'un ordinateur qui calcule deux fois plus vite ?

En fait, c'est plus compliqué et plus fascinant que cela...

Avec un ordinateur classique, on associe plusieurs bits pour former ce que l'on appelle un registre et un registre de 4 bits peut être dans 16 états différents : 0000, 0100, 0010, 0001 etc.

Mais, avec les ordinateurs quantiques, un registre de 4 q-bits peut être dans une superposition de ces 16 états et même plus que cela car on peut mettre des coefficients sur les états. Or, être dans 16 états à la fois, cela permet de faire 16 calculs en parallèle...

Un registre de 8 q-bits pourrait être dans une superposition de 256 états et donc aller 256 fois plus vite !

Pour les matheux, sachez qu'avec un registre de n q-bits, on calcule 2 puissance n fois plus vite qu'avec un ordinateur classique !

On estime qu'avec un registre d'une vingtaine de q-bits, on pourrait atteindre la puissance d'un ordinateur normal actuel et qu'avec une quarantaine de q-bits, on égalerait le plus gros ordinateur qui existe à ce jour !

4- A quoi cela peut-il servir ?

Précisons toutefois qu'il ne faut pas trop fantasmer sur la puissance des ordinateurs quantiques...

En réalité, ils ne font rien de plus qu'un ordinateur normal. Ils vont juste plus vite, en accélérant les calculs ou du moins certains calculs.

En effet, un ordinateur quantique ne s'utilise pas de la même manière qu'un ordinateur normal et il est même moins polyvalent que son équivalent traditionnel.

La manière dont on programme ces fameux ordinateurs quantiques est différente : avec des q-bits, on n'utilise plus de portes logiques ni de transistors, mais des portes spécifiques appelées portes quantiques.

De plus, on ne peut pas faire n'importe quoi avec ces calculateurs quantiques à cause d'un principe quantique appelé "la réduction du paquet d'ondes".

Concrètement, même si un ordinateur quantique peut faire plein de calculs en parallèle, à la fin il ne donne qu'une seule réponse.

On ne peut donc pas l'utiliser pour calculer plein de choses différentes et espérer rassembler tous les résultats à la fin.

Il est intéressant de bénéficier de son pouvoir d'accélération uniquement pour résoudre certains types de problèmes (ceux pour lesquels on a trouvé un algorithme spécifique appelé "algorithme quantique" et composé de portes quantiques).

Pour certains problèmes, le calculateur quantique fonctionne bien et va beaucoup plus vite. Mais il existe des problèmes pour lesquels on ne connaît pas ou il n'existe pas d'algorithme quantique qui soit plus rapide que l'algorithme classique !

5- Pourquoi s'y intéresse-t-on autant ?

Il y a aujourd'hui des problèmes que l'on espère résoudre grâce aux ordinateurs quantiques, notamment la factorisation des nombres entiers.

Factoriser un nombre, c'est trouver sa décomposition en un produit de nombres entiers (par exemple : 15 = 3 fois 5).

Si on prend un très grand nombre à factoriser, ce calcul prend beaucoup de temps. C'est pourquoi il sert de base à certains algorithmes de cryptographie, comme le très utilisé algorithme RSA...

Pour craquer ce genre de cryptage, avec un ordinateur classique, ça prendrait un temps énorme.

Or, dès 1994, un chercheur appelé Peter Shor a trouvé un algorithme quantique qui permet de réaliser la factorisation en nombres premiers.

Cet algorithme de Shor rendrait possible de nombreux calculs combinatoires qui sont hors de portée d'un ordinateur classique en l'état actuel de nos connaissances. Il permettrait donc de casser les méthodes cryptographiques actuelles.

Ces derniers mois, Google, Microsoft et IBM ainsi qu'un certain nombre de start-ups issues de laboratoires universitaires se sont lancés dans la course à l'informatique quantique et construisent des ordinateurs quantiques basés sur différentes technologies.

Leur but est de résoudre un jour avec un ordinateur quantique un problème que l'on n'arrive pas à résoudre avec un ordinateur classique.

Mais il n'est pas si simple de fabriquer ce type de calculateur... Pour obtenir un q-bit, il vous faut un système qui soit capable d'être dans deux états différents et qui soit suffisamment petit pour obéir aux lois de la mécanique quantique.

On peut notamment utiliser le spin d'un électron ou d'un noyau atomique, la polarisation d'un photon ou certains circuits supraconducteurs.

Tous ces objets sont susceptibles de former des q-bits, mais il est compliqué d'en associer suffisamment pour former un registre quantique assez grand.

Autre problème, il est très difficile de maintenir ces q-bits isolés du monde extérieur de telle sorte qu'ils soient stables et restent dans leur état superposé assez longtemps pour qu'on puisse faire le calcul que l'on veut.

En conclusion, même si les ordinateurs quantiques font beaucoup parler d'eux en ce moment, ce n'est pas demain la veille qu'ils remplaceront nos bons vieux ordinateurs binaires !

Plus d'information :

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