Côté sciences : qu’est-ce qu’un ordinateur quantique ?

Souvent évoqués comme le probable futur plus ou moins lointain de l’informatique, les ordinateurs ou calculateurs quantiques sont des machines au fonctionnement complexe mais dont les qualités théoriques attirent aujourd’hui de larges investissements.

Cet article est le premier d’une nouvelle série intitulée « Côté sciences », dans laquelle sera traité une à deux fois par semaine un sujet geek et scientifique qu’il soit d’actualité brûlante ou que j’ai simplement envie d’en parler.

Aujourd’hui je vais essayer de faire le point sur les ordinateurs quantiques, le principe de leur fonctionnement, leurs applications potentielles et quelques-uns des derniers développements dont ils ont été l’objet.

Souvent évoqués comme le probable futur plus ou moins lointain de l’informatique, les ordinateurs ou calculateurs quantiques sont des machines au fonctionnement complexe mais dont les qualités théoriques attirent aujourd’hui de larges investissements.

Mais alors qu’est-ce qui fait la différence entre un ordinateur quantique et nos bons vieux PC actuels ? C’est simple, à peu près tout et notamment la base de la base de l’informatique tel que nous le connaissons : le bit.

Calculateur quantique D-Wave

Les bits et les qubits

Tout commence ici : tout système « intelligent » doit stocker des informations, faire des calculs. Et de la même manière que l’ADN des être vivants est codé sur quatre bases (A,T,G,C), les ordinateurs actuels utilisent un système binaire (0 ou 1).

Une unité d’information binaire, une case qui peut être soit 1 soit 0 est appelée un bit. Pour stocker un bit, tout un tas de méthodes existent utilisant les propriétés physiques des matériaux comme leur champ magnétique, leur charge etc.

les ordinateurs quantiques eux, utilisent les qubits (quantum-bits) qui reflètent les propriétés quantiques de la matière. La physique quantique nous dit en effet qu’une particule élémentaire passe d’un état énergétique à un autre en faisant des « sauts quantiques » et pas de manière continue, des sortes de 0 et 1, donc.

Seulement voilà, l’état quantique d’un qubit ne peut être connu qu’en l’observant, avant son observation il est à la fois 0 et 1 en même temps avec une certaine probabilité α d’être 0 et β d’être 1 (avec α + β = 1). Les états 0 et 1 sont donc superposés.

Du coup, évidemment, l’algorithmique utilisée est très différente puisqu’il s’agit de trouver des propriétés mathématiques qui font qu’en entrant un certain nombre de qubits et en leur appliquant certaines transformations on puisse à la fin en observant l’état réel des qubits (0 ou 1) déduire la réponse « calculée » pour une question.

Cette réponse sera le résultat de la superposition des états les plus probables des qubits, ce qui donnera la bonne réponse avec une forte probabilité de succès mais pas complètement sure ! C’est donc un système probabiliste et non déterministe.

Pourquoi utiliser les qubits ?

La puissance de calcul potentielle

La principale raison pour utiliser les qubits plutôt que les bits normaux vient du fait que la puissance de calcul théorique d’un ordinateur quantique augmente exponentiellement avec le nombre de qubits pris en compte.

Pour comprendre cela, il faut bien réaliser qu’un algorithme quantique n’utilise pas l’état observé d’un ou plusieurs qubits mais bien la superposition de leurs états possibles pour faire ses calculs. Donc un processeur à 2 qubits permet d’effectuer des calculs simultanés sur les 4 états superposés, un processeur à 10 qubits 1024 états superposés et ainsi de suite (2  puissance n qubits).

Grâce à cette propriété, si des ordinateurs quantiques à plusieurs centaines de qubits étaient réalisés ils pourraient simuler des problèmes actuellement complètement hors de portée comme la vie d’une cellule atome par atome ou même l’état de l’univers.

La confidentialité des échanges

Il est impossible de copier un qubit ! En effet pour le copier, il faut nécessairement le lire donc l’observer. Or l’observation d’un état quantique le fixe dans une position (0 ou 1) et il n’est pas possible de remettre le qubit dans le même état de superposition de 0 et 1 que précédemment (on ne peut pas connaitre α et β) . Un qubit dirigé d’un point A à un point B ne pourrait donc pas être lu par un intermédiaire sans que l’intrusion ne soit facilement détectée au point B, ce qui changerait complètement le niveau de sécurité sur les réseaux informatiques.

De la théorie au réel

Tout cela est bien beau mais est-ce possible ? Oui, ou en tout cas c’est possible pour répondre à des questions très précises (exemple avec le calcul du nombre de Ramsey à deux couleurs)

Pour l’instant les algorithmes quantiques les plus célèbres sont :

  • L‘algorithme de Deutsch-Jozsa est un des premiers algorithmes quantiques à être plus efficace que son équivalent classique.
  • L’algorithme de Shor permet potentiellement de décrypter très rapidement n’importe quel chiffrage moderne, c’est un des plus étudié son but est de trouver la factorisation en nombres premiers d’une clé de chiffrage. En 2012 un calculateur à 4 qubits a réussit à déterminer en appliquant cet algorithme que  15 = 3 x 5. Et c’est déjà beaucoup 🙂
  • L’algorithme de Grover permet potentiellement de faire des recherches des ordres de magnitude plus rapides que les algorithmes classiques même si pour l’instant il reste surtout théorique.

Les premières applications existent donc mais sont encore grandement limitées par la jeunesse de cette science et les difficultés techniques liées au travail sur l’échelle de la physique quantique.

Les avis varient énormément sur la valeur réelle de cette technologie dans le futur mais les gros investissements en cours (hier un fond de 100 millions de dollars annoncé) semblent pointer vers la faisabilité de cette idée balbutiante mais qui risque bien de révolutionner la science des ordinateurs.

Le prix Nobel de physique 2012 a d’ailleurs honoré  Serge Haroche et David Wineland pour leurs travaux sur le maintien et l’observation de nos fameux qubits.

[Wikipedia]


11 commentaires

  1. Jolie initiative d’explication de ce sujet si mystérieux.
    Pour ma part je n’ai toujours pas compris comment l’on pouvait calculer avec ce type d’ordinateur: comment peut on y « Ã©crire » sachant que l’écriture implique une observation…

  2. Bonsoir,
    Merci beaucoup pour toutes ces informations utiles, ils sont rares les articles qui traitent un tel sujet. j’attends avec impatience les autres articles car ça m’intéresse beaucoup.

  3. Pour ma part, quand je bois un cubi j’ai pu observer que son état est effectivement altéré, et par la magie du quanta (rien à voir avec le chanteur cependant) l’état de l’observateur – bibi en l’occurence – passe lui aussi de désaltéré à légèrement altéré… va comprendre, Charles !

  4. Article intéressant mais pas très abordable.
    Moi qui a eu un cursus scientifique j’ai quand même eu du mal à comprendre complètement l’article.
    Ce que je ne comprend pas surtout c’est en quoi la puissance de calcul peut être aughmenté alors que l’ordinateur à plus de paramètre et de calcul à faire.
    Apres

  5. @Jean Baptiste : Merci pour l’article, c’est un thème que j’apprécie.
    La téléportation de qubit aurait pu être évoquée, mais là, il fallait 15 paragraphes de plus 🙂

    @Marco Aix : Merci pour cette petite tranche de rire 😉

  6. Jean-Baptiste

    @William : Non tu n’as pas besoin de lire pour écrire, il est possible de programmer un qubit avec le alpha et beta que tu veux. Apres evidemment tu n’es pas vraiment sur si ce sera un 1 ou un 0 quand tu le relira, mais c’est tout le principe 🙂

    @MarcoAix : best comment ever

    @Giang : La puissance est augmentée parce que tous les calculs sur les permutations possibled de tes qubits se font en parallèle et pas en série. Donc la puissance de calcul augmente exponentiellement. Mais encore une fois il ne faut pas s’imaginer ça comme un ordinateur classique, qui serait exponentiellement plus puissant. La forme des problèmes solubles est très différente

    @Gronk Oui j’ai hésité pour la téléportation, mais ça sera dans un autre article je pense 🙂

  7. Vision simpliste de la chose actuellement l’informatique fonctionne de facon simple avec deux choses le « oui  » 1 et le « non » 0 !

    L’ordinateur quantique (peut être une chimère … pour l’instant je l’ignore) c’est le « oui » 1 nouveauté le  » peut être  » une sorte d’amalgame entre le « 0 » et le « 1 » …. bref « le qbit » … et le « non » 0 !

    Je ne pas convaincu pour l’instant ! ;o)))

  8. « Un qubit dirigé d’un point A à un point B ne pourrait donc pas être lu par un intermédiaire sans que l’intrusion ne soit facilement détectée au point B »

    En théorie c’est inviolable en effet. Mais après il y a l’implémentation qui pose problème comme toujours. Par exemple une équipe de chercheurs avait trouvé une attaque triviale qui permettait d’obtenir la clef secrète sur des systèmes commerciaux.
    cf : http://arxiv.org/abs/1008.4593

  9. C’est a cause de l’effet de « décohérence » qu’on est limité pour l’instant.
    Le challenge des physiciens est de repousser le plus possible le délai pendant lequel des qubits peuvent être maintenus à une échelle quantique.
    Pour ceux qui ne comprendrai pas le fait que le qubit n’est ni sur 0 ni su 1, sachez qu’à l’échelle quantique (donc infiniment petit), le temps n’existe pas (donc pas de notion d’espace et de temps) ce qui signifie qu’un calcul qui dure par exemple 15 min (contrainte de temps) sera instantanée avec un ordinateur quantique.

Send this to friend

Lire les articles précédents :
Twitter voulait s’offrir Instagram pour 525 millions de dollars

Instagram est aujourd’hui la propriété de Facebook mais le célèbre service de partage de photos aurait pu se faire racheter...

Fermer