Ordinateurs quantiques. Pourquoi ne sont-ils pas encore, alors qu'ils existent déjà?

Il y a cinquante ans, les smartphones auraient sembléordinateurs totalement magiques. Tout comme les ordinateurs classiques étaient presque inimaginables pour les générations précédentes, nous sommes aujourd'hui confrontés à la naissance d'un type d'ordinateur totalement nouveau: quelque chose de tellement mystique qu'on peut l'appeler magique. Ce sont des ordinateurs quantiques. Si le mot "quantum" vous est inconnu, vous n'êtes pas seul. Ce monde très froid, petit, sensible et très étrange peut sembler être un système douteux sur lequel il est proposé de construire une machine informatique commerciale, mais c’est exactement ce sur quoi travaillent IBM, Google, Rigetti Computing et d’autres sociétés.

En janvier au CES dans le cadre de l'initiative IBM Qa montré System One (voir ci-dessus): une machine éblouissante, élégante et semblable à un lustre qui est devenue le premier système informatique quantique universel intégré à usage commercial auquel tout le monde pouvait jouer.

Sur le potentiel des ordinateurs quantiques entendu,probablement tout le monde: les propriétés de la physique quantique ouvrent des schémas de calcul massivement parallèles, susceptibles de fournir des gains considérables en puissance de calcul et de dépasser tous les superordinateurs à transistors que nous pourrions rencontrer aujourd'hui et demain. Ils révolutionneront la chimie, les produits pharmaceutiques, la science des matériaux et l’apprentissage automatique.

Mais qu'est-ce qui rend les ordinateurs quantiques si puissants? Voyons le comprendre.

Que sont les qubits?

Tout d’abord, rappelons-nous comment fonctionnent les ordinateurs quantiques.

Le secret de leurs compétences est qu'ils manipulentqubits. Tout ce qui gère un ordinateur classique - texte, images, vidéo, etc. - est constitué de longues lignes de zéros et de uns, ou de bits. À la base, un bit représente l'un des deux états: marche / arrêt, ou un circuit électrique est connecté ou non. Dans les ordinateurs modernes, les bits sont généralement représentés par une tension électrique ou une impulsion de courant.

Quantum ordinateurs, d’autre part, reposent surqubits. Comme les bits binaires, les qubits sont à la base des calculs, avec une grande différence: les qubits sont généralement des supraconducteurs d'électrons ou d'autres particules subatomiques. Il n’est pas surprenant que les manipulations avec des qubits représentent un problème scientifique et technique complexe. IBM, par exemple, utilise plusieurs couches de circuits supraconducteurs placés dans un environnement contrôlé et qui sont progressivement refroidis à des températures inférieures à celles de l’espace lointain - proches du zéro absolu.

Puisque les qubits vivent dans la réalité quantique, ils ont des propriétés quantiques étonnantes.

Superposition, enchevêtrement et interférence

Si un morceau est présenté comme une pièce avec un aigle (0) oules qubits (1), les qubits seront représentés par une pièce en rotation: en un sens, ils sont à la fois aigles et queues en même temps, chaque état ayant une certaine probabilité. Les scientifiques utilisent des impulsions hyperfréquences calibrées pour placer les qubits en superposition; de la même manière, d'autres fréquences et la durée de ces impulsions peuvent transformer un qubit de sorte qu'il se trouve dans un état légèrement différent (mais toujours en superposition).

En raison de la superposition, un qubit séparé peutreprésentent beaucoup plus d'informations que le bit binaire. Cela est dû en partie au fait qu’avec les entrées initiales, les qubits peuvent parcourir simultanément la méthode de la force brute avec un très grand nombre de résultats possibles. La réponse finale n'apparaît que lorsque les scientifiques mesurent les qubits - en utilisant également des signaux hyperfréquences -, ce qui les amène à "s'effondrer" dans un état binaire. Les scientifiques doivent souvent faire plusieurs calculs pour vérifier la réponse.

La confusion est une chose encore plus impressionnante. L'application d'impulsions hyperfréquences à une paire de qubits peut les confondre, de sorte qu'elles existeront toujours dans le même état quantique. Cela permet aux scientifiques de manipuler des paires de qubits enchevêtrés, modifiant simplement l'état de l'un d'entre eux, même s'ils sont physiquement séparés par une grande distance, d'où "l'action étrange à distance". En raison de la nature prévisible de l'enchevêtrement, l'ajout de qubits augmente de manière exponentielle la puissance de calcul d'un ordinateur quantique.

L'interférence est la dernière des propriétés queimplémenter des algorithmes quantiques. Imaginez des vagues qui roulent: elles se poussent parfois (agissent de manière constructive), parfois se désaltèrent (de manière destructive). L'utilisation d'interférences permet aux scientifiques de contrôler les états, en amplifiant le type de signaux conduisant à la bonne réponse et en annulant ceux qui donnent de mauvaises réponses.

Comment sont programmés les ordinateurs quantiques?

L'objectif principal est d'encoderparties du problème dans un état quantique complexe en utilisant qubits, puis manipulent cet état pour le ramener à une solution qui peut être mesurée après l'effondrement de superpositions dans des séquences déterministes de zéros (0) et un (1).

Pas clair? Relire à nouveau.

Cela semble difficile, mais puisque nous avons déjà compris tous les termes, il est possible de comprendre.

Comme avec la programmation classique,Les scientifiques développent des langages d'assemblage de bas niveau que la machine comprend mieux, pour passer ensuite à des langages de haut niveau et à des interfaces graphiques plus appropriées pour l'esprit humain. IBM Qiskit, par exemple, permet aux expérimentateurs de créer des tâches et de glisser-déposer des éléments logiques.

Démo décohérence

Pourquoi les ordinateurs quantiques ne sont-ils pas encore vendus?à tous les coins? En un sens, les scientifiques tentent de construire des machines parfaites à partir de pièces imparfaites. Les ordinateurs quantiques sont extrêmement sensibles aux perturbations, au bruit et à d’autres influences environnementales qui font que leur état quantique oscille et disparaît. Cet effet s'appelle la décohérence.

Pour certains experts, la décohérence estproblème qui freine l'informatique quantique. Même avec toutes les mesures prises, le bruit peut s'infiltrer dans les calculs. Les scientifiques peuvent stocker des informations quantiques jusqu'à ce qu'elles perdent leur intégrité sous l'influence de la décohérence, ce qui limite le nombre de calculs pouvant être effectués à la suite.

La nature délicate de l’informatique quantique est égalementla raison pour laquelle ajouter aveuglément des qubits à un système ne le rendra pas nécessairement plus puissant. La tolérance aux pannes est soigneusement étudiée dans le domaine de l'informatique quantique: logiquement, l'ajout de qubits peut compenser certains problèmes, mais la création d'un qubit unique et fiable pour le transfert de données nécessitera des millions d'erreurs de qubit correctives. Et aujourd'hui, nous n'en avons plus que 128. Peut-être que des algorithmes intelligents, également en cours de développement, seront utiles.

Imitation quantique avec ordinateurs quantiques

Le Big Data étant un sujet d'actualité, on pourrait s'attendre à ce que les ordinateurs quantiques gèrent mieux les grands ensembles de données que les classiques. Mais ce n'est pas.

Au lieu de cela, les ordinateurs quantiques seront particulièrementbon pour modeler la nature. Par exemple, l'informatique quantique pourrait être utilisée pour construire plus efficacement des molécules médicamenteuses, car elles fonctionnent généralement sur la même base que les molécules qu'elles tentent de modéliser. Calculer l'état quantique d'une molécule est une tâche incroyablement difficile, qui est presque impossible pour nos ordinateurs, mais les ordinateurs quantiques peuvent le faire en un rien de temps.

De même, l’informatique quantique peutretourner le domaine de la science des matériaux ou le transfert de l'information. En raison de l'enchevêtrement, les qubits, physiquement séparés par une grande distance, peuvent créer un canal pour transmettre des informations scientifiquement plus sûres que nos canaux existants. Quantum Internet est tout à fait réalisable.

Mais la chose la plus intéressante est: nous ne connaissons même pas toute la variété des questions étonnantes que les ordinateurs quantiques peuvent tenter de résoudre. En disposant simplement d'un ordinateur quantique commercial et en laissant les gens travailler avec lui, nous pourrions cartographier de nouveaux domaines intéressants adaptés à cette technologie étonnante.

Et quels problèmes tenteriez-vous de résoudre sur un ordinateur quantique? Dites-nous dans notre conversation dans Telegram.