Nous entendons parler d'ordinateurs quantiques depuis au moins quelques années. Mais qu'est-ce que c'est? A quoi sert un ordinateur quantique ? Aujourd'hui, tout est question de mots simples.
Quantum l'ordinateur est une invention sur laquelle de nombreux chercheurs fondent de grands espoirs, s'attendant à ce qu'elle ait un impact positif sur le développement de la science. Cependant, comprendre comment fonctionne la physique quantique est très difficile. Certains physiciens doutent même que les "ordinateurs quantiques" actuels doivent s'appeler ainsi. Le plus grand obstacle à l'utilisation de l'informatique quantique est le grand nombre d'erreurs qui sont affectées par les plus petits changements dans l'environnement des machines quantiques. Jusqu'à présent, nous n'avons pas encore réussi à exploiter de manière pleinement satisfaisante le potentiel des bits quantiques. Aujourd'hui, nous allons essayer de découvrir la particularité de ces bits très quantiques ?
Les ordinateurs quantiques existent-ils ?
L'essence de tout vrai scientifique est de ne pas faire confiance et de vérifier tout le temps. Je me suis souvenu de ces mots quand j'étais encore étudiant. Et plus d'une fois, il s'est assuré de l'exactitude de cette phrase. Cela s'applique également aux "ordinateurs quantiques". Pourquoi ai-je cité le nom de ces ordinateurs ? Découvrons-le.
Les ordinateurs quantiques sont un sujet très complexe, mais je vais essayer de le rendre aussi simple que possible et d'en parler de manière accessible. Aujourd'hui encore, scientifiques, physiciens et ingénieurs peuvent débattre de la question apparemment simple de savoir s'il existe un ordinateur quantique fonctionnel quelque part dans le monde. "Mais comment, après tout, des entreprises comme IBM se vantent d'avoir des ordinateurs quantiques !" - dira quelqu'un. Et il aura raison. La question reste ouverte de savoir si IBM a vraiment créé un ordinateur quantique ou simplement appelé son appareil un "ordinateur quantique".
Lorsqu'un de mes amis me demande d'expliquer en termes simples en quoi les ordinateurs quantiques diffèrent des ordinateurs auxquels nous sommes habitués, j'utilise généralement une simple comparaison. Si nos ordinateurs classiques (tels que Ordinateur personnel, ordinateurs portables que téléphones intelligents) sont des bougies, alors les ordinateurs quantiques sont des ampoules. Le but des deux est le même - pour les lampes à incandescence et les bougies, c'est l'émission de lumière, et pour les ordinateurs, c'est pour les calculs. Cependant, dans les deux cas, l'objectif est atteint de manière complètement différente et le résultat est différent. En termes simples, un ordinateur quantique n'est pas simplement une version améliorée des ordinateurs modernes, tout comme une ampoule n'est pas simplement une bougie plus grosse. Vous ne pouvez pas créer une ampoule en faisant des bougies de mieux en mieux. L'ampoule est différente La technologie, basée sur une compréhension scientifique plus approfondie. De même, un ordinateur quantique est un nouveau type d'appareil basé sur la physique quantique, et tout comme l'ampoule a changé la société, les ordinateurs quantiques peuvent affecter de nombreux aspects de notre vie, y compris les besoins de sécurité, les soins de santé et même Internet.
Donc, si l'on s'en tient à la comparaison des ordinateurs avec des ampoules, alors le "Joseph Swan quantique" (le créateur de la première ampoule à incandescence fonctionnelle) n'est pas encore apparu, et jusqu'à présent la science essaie, en termes simples, de faire "quelque chose de rouge et de chaud" en vérifiant combien il brille. Nous connaissons certains des fondements théoriques du fonctionnement des ordinateurs quantiques, mais il existe d'énormes obstacles à leur développement qui attendent toujours d'être résolus.
Des centres de recherche et des entreprises du monde entier mènent d'autres tests et recherches, et les experts dans le domaine de la physique quantique conviennent que la création de machines quantiques pleinement fonctionnelles que nous pouvons utiliser pour atteindre des objectifs impossibles à atteindre à ce stade passera évidemment des dizaines d'années.
Je crois, et de nombreux scientifiques seront d'accord avec moi, que les machines actuellement appelées ordinateurs quantiques ne méritent pas du tout un tel nom. Ils n'ont pas la capacité d'effectuer des calculs ou de résoudre des problèmes que nous ne pouvons pas résoudre de manière normale et classique.
Nous n'avons pas encore atteint un degré de développement technologique tel que nous serions capables de créer une machine quantique qui résoudrait des problèmes actuellement inaccessibles aux ordinateurs classiques. Bien sûr, Google ou IBM parlent de certains ou d'autres calculs effectués qui seraient difficiles à faire de manière classique, mais pour le moment ils ne sont pas convaincants.
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Qu'est-ce qu'un quantique ?
Qu'est-ce qu'un "quantum" de toute façon ? Ce n'est pas un objet physique. Le terme "quantique" est utilisé en physique pour décrire la plus petite fraction possible de quelque chose. Vous pouvez donc avoir un "quantum de force", un "quantum de temps" ou un "quantum de particules". En suivant cette voie, nous arriverons à des termes tels que "physique quantique" et "mécanique quantique", c'est-à-dire des branches de la science traitant des plus petites interactions ou systèmes possibles - au niveau des atomes et même des quarks individuels.
Et maintenant, nous avons atteint le qubit (bit quantique), c'est-à-dire "la plus petite et indivisible unité d'information quantique". En même temps, nous arrivons également au premier point, qui nous renseigne sur les similitudes et les différences dans la façon dont les ordinateurs classiques (utilisant des bits) et les ordinateurs quantiques (utilisant des qubits) effectuent des calculs.
Dans les ordinateurs classiques, chaque élément d'information est stocké sous la forme d'une séquence de uns et de zéros. Ces informations sont perçues et interprétées par un ordinateur, une console, un smartphone, montre intelligente que Smart TV, similaires aux opérations qui sont effectuées sur ces informations. Que nous regardions des photos de vacances, discutions avec des amis, jouions au dernier jeu ou effectuions des calculs cryptographiques avancés, tout se passe dans un système binaire où il y a des 0 ou des 1 et rien d'autre. En fait, cela ressemble plus à un classique oui ou non.
L'inefficacité de ce système se voit lorsqu'on atteint ses limites. Et que nous manquions d'espace sur nos smartphones pour un autre selfie ou que les scientifiques essaient de créer des modèles mathématiques du développement d'une pandémie, le problème est qu'il y a trop de zéros et de uns, et les ressources pour les stocker et le pouvoir de les calculer ne sont pas disponibles.
Qubit résout ce problème. Cette information utilise des propriétés de la physique quantique qui lui permettent de rester dans une soi-disant superposition. Un qubit peut prendre n'importe quelle valeur entre 0 et 1. Il possède les propriétés de l'ensemble du spectre et peut avoir des valeurs telles que 15 % zéro et 85 % un. Théoriquement, cela vous permet d'économiser beaucoup plus d'informations ou d'accélérer les calculs. Mais en même temps, de nombreux problèmes surviennent, difficiles à contrôler et même à comprendre.
Une autre caractéristique des ordinateurs quantiques, qui permet une mise à l'échelle supplémentaire de la puissance de calcul, est l'utilisation de l'intrication quantique. C'est un état où deux qubits sont connectés l'un à l'autre, et chaque fois que nous en observons un, l'autre sera exactement dans le même état. L'intrication permet de regrouper les qubits en unités encore plus efficaces pour enregistrer et traiter les informations.
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Équipement quantique
Un ordinateur quantique se compose de trois parties principales : une zone pour stocker les qubits, une méthode pour transmettre des signaux aux qubits et un ordinateur classique pour exécuter un programme et envoyer des instructions.
Le matériau quantique qui compose les qubits est délicat et extrêmement sensible aux influences environnementales. Pour certaines méthodes de stockage de qubits, l'unité qui abrite les qubits est maintenue à une température proche du zéro absolu pour maximiser leur cohérence. D'autres types de stockage de qubits utilisent une chambre à vide pour minimiser les vibrations et stabiliser les qubits.
Il existe différentes méthodes de transmission de signaux aux qubits, telles que les micro-ondes, les lasers et la tension électrique.
Afin d'établir le fonctionnement normal des ordinateurs quantiques, il est nécessaire de résoudre de nombreux problèmes. Un problème majeur avec les ordinateurs quantiques est la correction des erreurs, et la mise à l'échelle (ajout de plus de qubits) augmente encore leur fréquence. En raison de ces limitations, un ordinateur personnel quantique sur votre bureau est encore un avenir lointain, mais des ordinateurs quantiques commerciaux pourraient devenir disponibles dans un proche avenir. Parlons de cela plus en détail.
Problèmes des ordinateurs quantiques
Cependant, les ordinateurs quantiques ont un énorme problème. Autrement dit, les scientifiques ont un énorme problème avec leur utilisation, car, grâce à leurs propriétés particulières, les qubits ont besoin d'un environnement suffisamment calme pour pouvoir lire avec précision toutes les données qu'ils contiennent. Chaque violation, même la plus petite, rendra impossible la lecture précise des informations.
Dans le cas des ordinateurs classiques, un problème similaire a également joué un rôle important dans le passé, mais aujourd'hui, il est si insignifiant qu'il est souvent négligé même dans la science académique. On parle de taux d'erreur. C'est un indicateur qui détermine quelle proportion de bits ou de qubits d'informations peut être corrompue. Cela peut arriver, par exemple, lors d'une surtension ou d'autres perturbations.
Pour les appareils classiques, la probabilité d'erreur est d'environ un à 1017 bit Dans le cas des ordinateurs quantiques, il s'agit encore de plusieurs centaines. Et ceci dans une situation où les ordinateurs quantiques fonctionnent dans les conditions les plus isolées et à une température de -272 degrés Celsius, c'est-à-dire légèrement au-dessus du zéro absolu. Toute fluctuation de température, toute modification du champ électromagnétique et même tout mouvement détruisent l'ensemble du calcul.
Un autre problème est "l'instabilité" des états quantiques. Chaque fois que nous mesurons ou voulons perturber un état quantique, il revient à l'une des deux positions, zéro et un. Dans ce cas, l'état quantique va se désintégrer. Ce processus est appelé décohérence quantique.
Pensez-y de cette façon : un ordinateur quantique est un mathématicien qualifié qui effectue des calculs complexes, et ses résultats se situent entre 0 et 1 million. Nous, à notre tour, sommes un enfant qui comprend seulement que quelque chose peut être trop ou trop peu. Chaque fois qu'un mathématicien pourrait avoir des résultats différents, tels que 356 670,23 ou 1 846 662, selon notre compréhension du monde, chacun de ces résultats serait classé comme peu (0) ou beaucoup (1), sans définir de différence spécifique entre les deux. C'est la décohérence quantique. La seule façon de faire un calcul correct est de garantir le travail mathématique avant qu'il ne soit terminé.
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À quoi servirons-nous les ordinateurs quantiques ?
Aujourd'hui, la question se pose de savoir à quoi peuvent servir les ordinateurs quantiques, tout comme il y a 20 ans, à quoi peut servir un smartphone. Bien sûr, il existe déjà des plans et des hypothèses, mais les directions les plus intéressantes pour l'utilisation des qubits deviendront probablement claires lorsque les ordinateurs quantiques se généraliseront.
La cryptographie est l'un des domaines les plus populaires où l'informatique quantique est le plus souvent utilisée. Le fait est que ce sera une méthode de transmission d'informations de manière très sécurisée, et la sécurité n'est pas basée sur la complexité des processus informatiques, mais sur les lois de la physique, ce qui donnera l'assurance que certaines choses sont tout simplement impossibles. Et à ce moment là, il sera impossible d'écouter, d'espionner, de pirater.
La sécurité dans ce cas est garantie par les propriétés physiques mêmes des qubits, qui, comme je l'ai expliqué précédemment, cessent de montrer des caractéristiques de superposition dès qu'elles sont observées. Ainsi, toute tentative d'interception ou même de copie du message codé le détruira tout simplement.
Les ordinateurs quantiques peuvent également nous permettre de mieux comprendre les processus naturels. Le « chaos » de superposition reflète beaucoup mieux la manière dont, par exemple, les mutations de l'ADN, et donc le développement de la maladie et l'évolution. L'informatique quantique est déjà utilisée aujourd'hui pour créer de nouveaux médicaments.
Il est peut-être logique de parler de l'utilisation d'ordinateurs quantiques pour la téléportation de données. Oui, précisément la téléportation de données, et éventuellement d'une personne. Nous pourrons téléporter des informations d'un endroit à l'autre sans les transférer physiquement. Cela ressemble à de la fantaisie, mais c'est possible, car cette fluidité de particules quantiques peut s'emmêler dans le temps et l'espace, de sorte qu'un changement dans une particule peut en affecter une autre, ce qui crée un canal de téléportation. Cela a déjà été démontré dans des laboratoires et pourrait faire partie de l'internet quantique du futur. Nous n'avons pas encore un tel réseau, mais certains scientifiques travaillent déjà sur ces possibilités, simulant un réseau quantique sur un ordinateur quantique. Ils ont déjà développé et mis en œuvre de nouveaux protocoles intéressants, tels que la téléportation entre les utilisateurs du réseau et le transfert de données efficace, et même le vote sécurisé.
Il faut aussi dire que les ordinateurs quantiques devraient être utilisés pour simuler diverses situations et trouver des solutions aux problèmes, y compris les médicaments et les vaccins. Par exemple, lors de pandémies comme le coronavirus, lorsqu'un calcul et un calcul d'options plus rapides sont nécessaires. Ici, vous pouvez utiliser la possibilité de modélisation quantique, qui ne peut pas être effectuée sur un ordinateur classique. Lorsqu'une nouvelle maladie apparaît, le processus de recherche d'un remède prend environ 15 ans et peut coûter jusqu'à 2,6 milliards de dollars. Dans certaines maladies, il faut filtrer des millions de molécules pour n'identifier que des centaines d'individus prometteurs susceptibles de devenir donneurs. Ensuite, lors des tests, environ 99% des molécules sont abandonnées en raison, entre autres, d'une mauvaise prédiction du comportement et des limitations d'échantillonnage. C'est là que les ordinateurs quantiques viendraient au premier plan.
Et ce ne sont encore que quelques-unes des merveilleuses idées de ce qui peut être réalisé en utilisant la physique quantique. Actuellement, nous parvenons dans une certaine mesure à apprivoiser son caractère capricieux, mais tous les développements sont encore au niveau initial. La création d'un véritable ordinateur quantique et son application de masse sont encore assez loin, mais les progrès ne s'arrêtent pas. Par conséquent, peut-être que dans une dizaine d'années, vous lirez cet article à l'aide d'un ordinateur quantique et sourirez avec condescendance.
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