Sommes-nous prêts pour les ordinateurs quantiques?

Le matériel n'a pas rattrapé la théorie, mais nous alignons déjà de nombreux problèmes auparavant insolubles., par
 

Sommes-nous Prêts Pour Les Ordinateurs Quantiques?

Sommes-nous prêts pour les ordinateurs quantiques?Image ©Pete Linforth

Le matériel n'a pas rattrapé la théorie, mais nous alignons déjà de nombreux problèmes auparavant insolubles.

L'évolution de l'informatique quantique

Un récent article de Google affirmant qu'un ordinateur quantique a effectué un calcul spécifique qui étoufferait même le supercalculateur classique le plus rapide du monde a soulevé beaucoup plus de questions qu'il n'y a répondu. Le plus important d'entre eux est le suivant: lorsque des ordinateurs quantiques à part entière arriveront, serons-nous prêts?

Google a franchi cette étape dans le contexte d'une réalité plus sobre: ??même les meilleurs ordinateurs quantiques basés sur une porte ne peuvent aujourd'hui rassembler qu'environ 50 qubits. Un qubit, ou bit quantique, est l'élément d'information de base dans l'informatique quantique, analogue à un bit dans l'informatique classique mais bien plus encore.

Les ordinateurs quantiques basés sur des portes fonctionnent à l'aide de portes logiques mais, contrairement aux ordinateurs classiques, ils exploitent les propriétés inhérentes à la mécanique quantique telles que la superposition, les interférences et l'intrication. Les ordinateurs quantiques actuels sont si bruyants et sujets aux erreurs que les informations dans leur état quantique sont perdues en quelques dizaines de microsecondes grâce à un mécanisme appelé décohérence et à travers des portes défectueuses .

Pourtant, les chercheurs font des progrès démontrables, bien que lents, vers des qubits plus utilisables. Peut-être que dans 10 ou 20 ans, nous atteindrons l'objectif d'ordinateurs quantiques fiables, à grande échelle et tolérants aux erreurs, capables de résoudre un large éventail de problèmes utiles.

Quand ce jour arrive, que devons-nous en faire?

Nous avons eu des décennies pour nous préparer. Au début des années 1980, le physicien américain Paul Benioff a publié un article démontrant qu'un modèle de mécanique quantique d'une machine de Turing - un ordinateur - était théoriquement possible. Vers la même époque, Richard Feynman a fait valoir que la simulation de systèmes quantiques à n'importe quelle échelle utile sur des ordinateurs classiques serait toujours impossible car le problème deviendrait beaucoup trop important: la mémoire et le temps requis augmenteraient de façon exponentielle avec le volume du système quantique. Sur un ordinateur quantique, les ressources nécessaires augmenteraient beaucoup moins radicalement.

Feynman a vraiment lancé le domaine de l'informatique quantique lorsqu'il a suggéré que la meilleure façon d'étudier les systèmes quantiques était de les simuler sur des ordinateurs quantiques. La simulation de la physique quantique est l' application pour les ordinateurs quantiques. Ils ne vous aideront pas à diffuser des vidéos sur votre smartphone. Si de grands ordinateurs quantiques tolérants aux pannes peuvent être construits, ils nous permettront de sonder le monde étrange de la mécanique quantique à des profondeurs sans précédent. Il suit des règles différentes de celles du monde que nous observons dans notre vie quotidienne et pourtant sous-tend tout.

Sur un ordinateur quantique suffisamment grand, nous pourrions simuler des théories quantiques des champs pour étudier la nature la plus fondamentale de l'univers. Dans la recherche en chimie et à l'échelle nanométrique, où les effets quantiques dominent, nous pourrions étudier les propriétés de base des matériaux et en concevoir de nouveaux pour comprendre des mécanismes tels que la supraconductivité non conventionnelle. Nous pourrions simuler et comprendre de nouvelles réactions chimiques et de nouveaux composés, ce qui pourrait aider à la découverte de médicaments.

L'avancée de la technologie

En plongeant profondément dans les mathématiques et la théorie de l'information, nous avons déjà développé de nombreux outils théoriques pour faire ces choses, et les algorithmes sont plus avancés que la technologie pour construire les machines réelles. Tout commence par un modèle théorique de l'ordinateur quantique, qui établit comment il exploitera la mécanique quantique pour effectuer un calcul utile. Les chercheurs écrivent des algorithmes quantiques pour effectuer une tâche ou résoudre un problème en utilisant ce modèle. Il s'agit essentiellement d'une séquence de portes quantiques ainsi que d'une mesure de l'état quantique qui fournit les informations classiques souhaitées.

Ainsi, par exemple, l'algorithme de Grover montre un moyen d'effectuer des recherches plus rapides. L'algorithme de Shor a prouvé que les gros ordinateurs quantiques seront un jour capables de briser les systèmes de sécurité informatique basés sur RSA, une méthode largement utilisée pour protéger, par exemple, les e-mails et les sites Web financiers dans le monde entier.

Dans mes recherches, mes collègues et moi avons démontré des algorithmes très efficaces pour effectuer des calculs utiles et étudier des systèmes physiques. Nous avons également démontré l'une des méthodes de l'une des premières simulations quantiques à petite échelle d'un système d'électrons, dans un processeur d'information quantique par résonance magnétique nucléaire . D'autres ont également poursuivi nos travaux et récemment simulé des théories quantiques simples des champs sur les ordinateurs quantiques à échelle intermédiaire bruyants disponibles aujourd'hui et dans des expériences de laboratoire.

En attendant que le matériel rattrape la théorie, les chercheurs en science de l'information quantique continueront d'étudier et de mettre en œuvre des algorithmes quantiques utiles pour les machines bruyantes et défectueuses actuellement disponibles. Mais beaucoup d'entre nous adoptent également une vision plus longue, poussant la théorie au plus profond de l'intersection de la physique quantique, de la théorie de l'information, de la complexité et des mathématiques et ouvrant de nouvelles frontières à explorer, une fois que nous aurons les ordinateurs quantiques pour nous y emmener.

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