L'informatique quantique
L'informatique quantique est un domaine de recherche informatique en croissance rapide avec des applications commerciales attendues dans un proche avenir. À ce stade, les ordinateurs quantiques dépasseront les ordinateurs traditionnels dans certaines tâches, notamment la modélisation moléculaire et matérielle, l'optimisation logistique, la modélisation financière, la cryptographie et la formation en intelligence artificielle.
Fondamentaux de l'informatique quantique
Les ordinateurs traditionnels sont construits à partir de puces de silicium contenant des millions ou des milliards de transistors miniatures. Chacun d'eux peut être activé - dans la compréhension de la machine, il s'agit d'un état "0" ou "1". Ensuite, l'ordinateur stocke et traite les données en utilisant des « nombres binaires » ou des « bits ».
Les ordinateurs quantiques fonctionnent avec des «bits quantiques» ou des « qubits ». Ils peuvent être supportés dans le matériel de différentes manières - par exemple, en utilisant les propriétés de la mécanique quantique des circuits électriques supraconducteurs ou des ions piégés individuels.
Les Qubits peuvent exister dans plusieurs états ou " superposition"En même temps. Cela permet à un qubit de prendre la valeur «1», «0» ou les deux en même temps. Cela permet à un ordinateur quantique de traiter beaucoup plus de données qu'un ordinateur classique et d'effectuer un traitement massivement parallèle. Cela signifie également que chaque qubit ajouté à un ordinateur quantique augmente sa puissance de manière exponentielle.
La plupart des gens se perdent lorsqu'ils entendent parler des propriétés d'un qubit. Une pièce retournée ne peut pas remonter tête et queue en même temps. Et pourtant, l'état quantique d'un qubit peut faire quelque chose de similaire. Par conséquent, il n'est pas surprenant que le célèbre physicien nucléaire Niels Bohr ait dit un jour: "Quiconque n'est pas choqué par la théorie quantique ne la comprend tout simplement pas!"
Outre les superpositions, les qubits peuvent s'emmêler. " Enchevêtrement»Est une autre propriété mécanique quantique clé, ce qui signifie que l'état d'un qubit peut dépendre de l'état d'un autre. Cela signifie que l'observation d'un qubit peut révéler l'état de sa paire non observable.
Il est très difficile de créer et de gérer des qubits. De nombreux processeurs quantiques expérimentaux d'aujourd'hui utilisent des phénomènes quantiques qui se produisent dans les matériaux supraconducteurs et doivent donc être refroidis à près du zéro absolu (environ moins 272 degrés Celsius). Une protection contre le bruit de fond est également nécessaire, et même dans ce cas, l'exécution de calculs à l'aide de qubits nécessitera une correction d'erreur. L'objectif principal de l'informatique quantique est de créer une machine tolérante aux pannes.
Pionniers quantiques
Les entreprises qui développent actuellement du matériel pour les ordinateurs quantiques comprennent: IBM, Alibaba, Microsoft, Google, Intel, D-Wave Systems, Quantum Circuits, IonQ, Honeywell, Xanadu et Rigetti. Beaucoup d'entre eux travaillent en collaboration avec des groupes de recherche dans les grandes universités, et ils continuent tous à faire des progrès significatifs. Voici un aperçu du travail de chacune de ces entreprises.
IBM
IBM travaille sur un ordinateur quantique depuis plus de 35 ans. Elle a fait des progrès significatifs avec plusieurs machines en fonctionnement. Selon le site Web IBM-Q: «Aujourd'hui, l'informatique quantique est un terrain de jeu pour les chercheurs, mais dans cinq ans, elle deviendra courante. Dans cinq ans, l'effet de l'informatique quantique ira au-delà du laboratoire de recherche. Il sera largement utilisé par de nouvelles catégories de professionnels et de développeurs qui utilisent cette nouvelle méthode de calcul pour résoudre des problèmes autrefois considérés comme insurmontables. "
En 2016, IBM a lancé un site Webappelé IBM Q Experience, qui a montré un ordinateur quantique de 5 qubits à l'ensemble de l'Internet. Depuis lors, il a été rejoint par une deuxième machine à 5 qubits et une machine à 16 qubits, toutes deux disponibles pour l'expérimentation. Pour aider ceux qui souhaitent s'informer et participer à l'informatique quantique, IBM propose une plate-forme logicielle d'informatique quantique open source appelée Qiskit .
En novembre 2017, IBM a annoncé que deux machines de 20 qubits étaient ajoutées à son cloud quantique. Ils peuvent être utilisés par les clients qui sont membres enregistrés du réseau IBM Q... IBM le décrit comme «une communauté mondiale de sociétés, de startups, d'institutions académiques et de laboratoires de recherche nationaux de premier plan du classement Fortune 500 travaillant avec IBM pour faire progresser l'informatique quantique et explorer des applications pratiques pour les entreprises et la science».
Toujours en novembre 2017, IBM a annoncé avoir conçu un processeur quantique de 50 qubits, considéré à l'époque comme le matériel quantique le plus puissant.
L'ordinateur quantique 50 qubits d'IBM
En janvier 2019, IBM a annoncé son IBM Q System Onecomme "le premier système informatique quantique approximatif universel intégré au monde développé pour un usage scientifique et commercial." Ce système modulaire et relativement compact est conçu pour une utilisation en dehors du laboratoire. Vous pouvez en savoir plus sur IBM Q System One dans ce communiqué de presse .
Un autre géant de la technologie qui travaille dur pour faire de l'informatique quantique une réalité est Google, qui dispose d'un laboratoire d'IA quantique. En mars 2017, les ingénieurs Masood Mohseni, Peter Reed et Hartmut Neven qui travaillent dans l'installation ont publié un article dans Nature . Dans ce document, ils ont déclaré que l'informatique quantique est possible sur des appareils relativement petits qui apparaîtront au cours des cinq prochaines années. Cela confirme la vision d'IBM du timing de l'informatique quantique commerciale.
Au début de l'informatique quantique, Google utilisait une machine de la société canadienne D-Wave Systems. Cependant, la société développe actuellement activement son propre équipement et a annoncé en mars 2018 un nouveau processeur quantique de 72 qubits appeléBristlecone .
En juin 2019, le directeur du laboratoire d'intelligence artificielle quantique de Google Hartmut Neven a rapporté que la puissance de leurs processeurs quantiques augmente actuellement de façon exponentielle deux fois. Cela a été appelé «loi de Nevan» et suggère que nous pouvons atteindre le point de supériorité quantique, où un ordinateur quantique peut surpasser n'importe quel ordinateur classique d'ici la fin de 2019.
En octobre 2019, une équipe d'ingénieurs Google a publié un article dans Nature, dans lequel elle prétend avoir atteint la supériorité quantique. Plus précisément, les scientifiques de Google ont utilisé un processeur quantique appelé Sycamore pour échantillonner la sortie d'un circuit quantique pseudo-aléatoire. Il a fallu environ 200 secondes à Sycamore pour échantillonner une instance du schéma un million de fois. Par comparaison, l'équipe de Google a calculé qu'un supercalculateur classique prendrait environ 10 000 ans pour effectuer les mêmes calculs. L'équipe a ensuite conclu: «Les processeurs quantiques basés sur des qubits supraconducteurs peuvent désormais effectuer des calculs hors de portée des supercalculateurs classiques les plus rapides actuellement disponibles. Cette expérience marque le premier calcul qui ne peut être effectué que sur un processeur quantique. Ainsi, les processeurs quantiques ont atteint le régime de suprématie quantique. "
Cette révélation par les ingénieurs de Google était une grande nouvelle, mais a rapidement suscité la controverse. IBM a publié un article de blog disant que les calculs de l'expérience Google pourraient être effectués sur un ordinateur classique en deux jours et demi, et non en 10 000 ans. Et selon IBM: "Puisque le sens original du terme 'suprématie quantique', tel que proposé par John Preskill en 2012, était de décrire le point auquel les ordinateurs quantiques peuvent faire ce que les ordinateurs classiques ne peuvent pas - cette frontière n'a pas encore été franchie."
Alibaba
En Chine, le principal géant de l'Internet est Alibaba , pas Google. Et en juillet 2015, ils ont fusionné avec l' Académie chinoise des sciences pour former le «CAS Quantum Computing Laboratory - Alibaba». Comme l'explique le professeur Jianwei Pan, leur objectif est «de mener des recherches de pointe sur les systèmes qui semblent les plus prometteurs pour la mise en œuvre d'applications pratiques de l'informatique quantique, et de briser les goulots d'étranglement de la loi de Moore et de l'informatique classique». Vous pouvez visiter le site Web du laboratoire ici .
Comme IBM, Alibaba a mis en ligne un ordinateur quantique expérimental. Plus précisément, en mars 2018, le géant chinois du commerce électronique a lancé son «cloud informatique quantique supraconducteur» pour donner accès à un ordinateur quantique de 11 qubits. Il a été développé avec l'Académie chinoise des sciences et permet aux utilisateurs d'exécuter des programmes quantiques et de télécharger les résultats.
Microsoft
Comme vous vous en doutez, Microsoft s'intéresse également à l'informatique quantique et travaille avec certains des meilleurs scientifiques et universités du monde. À cette fin, Microsoft a créé plusieurs laboratoires Station Q , comme le laboratoire de l'Université de Californie. En février 2019, la société a également annoncé le Microsoft Quantum Network pour rassembler toutes les coalitions de partenaires.
Un élément clé de la stratégie de Microsoft est de développer des ordinateurs quantiques basés sur des « qubits topologiques«Selon la société, il sera moins sujet aux erreurs (par conséquent, moins de ressources système sont nécessaires pour corriger les erreurs). Microsoft pense également que les qubits topologiques seront plus faciles à mettre à l'échelle pour les applications commerciales. Selon un article publié en mai 2018 dans Computer Weekly, le vice-président de l'informatique quantique de Microsoft estime que les ordinateurs quantiques commerciaux pourraient atteindre leur plate-forme cloud Azure en seulement cinq ans.
Côté logiciel, en décembre 2017, Microsoft a publié un aperçu de son outil de développement informatique. Il est gratuit à télécharger et comprend un langage de programmation appelé Q #et un simulateur de calcul quantique. En mai 2019, Microsoft a annoncé qu'il allait ouvrir l'outil de développement à la source. Et en mai 2020, la société a annoncé son service de cloud computing Azure Quantum .
Intel
Intel, en tant que premier fabricant mondial de microprocesseurs, travaille également sur des puces pour l'informatique quantique. L'entreprise adopte deux approches différentes. L'un de ces domaines est poursuivi en collaboration avec le pionnier néerlandais de l'informatique quantique, QuTech . Le 17 novembre 2017, Intel a annoncé la livraison d'une puce de test de 17 qubits à son partenaire aux Pays-Bas. Puis, en janvier 2018 au CES, la société a annoncé la livraison d'un processeur de test quantique de 49 qubits appelé Tangle Lake .
La deuxième ligne de recherche d'Intel en informatique quantique est entièrement interne et implique la création de processeurs basés sur une technologie appelée spin qubit". Il s'agit d'une innovation importante car les puces à qubit de spin sont fabriquées à l'aide des méthodes de fabrication traditionnelles de silicium Intel. En juin 2018, Intel a annoncé avoir commencé à tester une puce qubit à 26 tours.
Les qubits de spin Intel ne mesurent qu'environ 50 nanomètres de diamètre, soit 1/1500 de la largeur d'un cheveu humain. Cela signifie que peut-être dans dix ans, Intel sera en mesure de produire de minuscules processeurs quantiques contenant des milliers ou des millions de qubits. Contrairement aux processeurs conventionnels, ils doivent être refroidis jusqu'à un zéro absolu. Mais le potentiel est vraiment excitant. Selon section Site d'informatique quantique d'Intel, la société vise à produire des processeurs quantiques pendant dix ans et s'attend à ce que la technologie entre dans sa «phase commerciale» vers 2025.
Systèmes D-Wave
D-Wave Systems est un pionnier de l'informatique quantique basé au Canada et a fait la démonstration d'un ordinateur quantique de 16 qubits en 2007. En 2011, la société a vendu une machine D-Wave One de 128 qubits pour 10 millions de dollars à Lockheed Martin, une société industrielle militaire américaine. En 2013 - D-Wave Two de 512 qubits à la NASA et à Google. En 2015, D-Wave avait franchi la barre des 1000 qubits avec son D-Wave 2X et, en janvier 2017, a vendu son premier D-Wave 2000Q de 2000 qubits à la société de cybersécurité Temporal Defense Systems.
En lisant cette liste de réalisations, vous êtes peut-être arrivé à la conclusion que D-Wave devrait être le premier fabricant mondial d'ordinateurs quantiques. Après tout, c'est la seule entreprise qui vend de telles machines. Cependant, le travail de l'entreprise reste controversé. En effet, leur équipement est basé sur un procédé «adiabatique» appelé « recuit quantique », que d'autres pionniers ont rejeté comme «restrictif» et «sans issue». IBM, par exemple, adopte une approche "basée sur la porte" de l'informatique quantique qui lui permet de contrôler les qubits d'une manière similaire à la façon dont un transistor contrôle le flux d'électrons dans un microprocesseur conventionnel. Mais un tel contrôle n'existe pas dans le système D-Wave.
Au lieu de cela, l'ordinateur quantique D-Wave tire parti du fait que tous les systèmes physiques tendent vers des états d'énergie minimale. Ainsi, par exemple, si vous préparez une tasse de thé et que vous partez en voyage d'affaires - à votre retour, il fera froid, car le contenu tend vers l'état d'énergie minimum. Les qubits du système D-Wave sont également sensibles à cela, et par conséquent, l'entreprise utilise ses équipements pour résoudre des problèmes d'optimisation, qui peuvent être exprimés comme des «problèmes de minimisation d'énergie». Cela limite les possibilités, mais permet toujours au matériel d'exécuter certains algorithmes beaucoup plus rapidement qu'un ordinateur classique. Vous pouvez regarder la vidéo dans laquelle D-Wave explique son approche de l'informatique quantique.
En août 2016 dans l' articlePhysical Review X a rapporté que certains algorithmes fonctionnent jusqu'à 100 millions de fois plus vite sur D-Wave 2X que sur un processeur classique monocœur. L'un des auteurs de cette étude était le CTO de Google. Tout cela suggère que l'opinion sur la valeur de D-Wave pour le développement de l'informatique quantique reste controversée.
L'entreprise continue de promouvoir ses ordinateurs quantiques. En octobre 2018, D-Wave a lancé un cadre d'application quantique basé sur le cloud appelé Leap . Il fournit un accès en temps réel à l'ordinateur quantique D-Wave 2000Q, et l'accès a été élargi en mars 2019 pour fournir cette capacité au Japon et à toute l'Europe.
Rigetti
Un autre acteur dans le domaine de l'informatique quantique est une startup appelée Rigetti . L'entreprise emploie déjà plus de 120 personnes et a construit un ordinateur quantique de 19 qubits disponible en ligne via son environnement de développement appelé Forest .
Circuits quantiques
Une autre start-up est Quantum Circuits , fondée par un professeur renommé d'informatique quantique, Robert Schölkopf et d'autres collègues de l'Université de Yale. La société a levé 18 millions de dollars en capital-risque et prévoit de " battre les géants de l'informatique " dans la course à la création d'un ordinateur quantique viable.
IonQ
IonQ - Spécialisé dans l'informatique quantique d'ions piégés. La société affirme que sa technologie "combine des performances physiques inégalées, une réplication parfaite des qubits, une connectivité optique et des algorithmes hautement optimisés" pour "créer un ordinateur quantique aussi évolutif que puissant et qui prendra en charge une grande variété d'applications. dans une variété d'industries. " Si vous souhaitez en savoir plus sur l'informatique quantique, le site IonQ propose un excellent tutoriel .
Xanadu
Xanadu développe l'informatique quantique photonique en intégrant «des puces photoniques de silicium quantique dans le matériel existant pour créer une informatique quantique entièrement fonctionnelle». Comme le note la société, par rapport aux autres technologies qubit, «les photons sont très stables et sont presque insensibles aux bruits aléatoires de la chaleur. Nous utilisons des puces photoniques pour générer, contrôler et mesurer des photons de manière à permettre un calcul extrêmement rapide. »
Honeywell
Honeywell est une autre société qui utilise l'informatique quantique à ions piégés . L'entreprise possède une vaste expérience en informatique d'entreprise. En juin 2020, Honeywell a annoncé l'ordinateur quantique le plus performant au monde. Le reste des entreprises était sceptique à ce sujet. Mais, néanmoins, il s'agit d'un autre développement important - d'autant plus qu'il est devenu connu que la holding financière américaine JPMorgan Chase expérimente déjà ce système pour développer des applications de services financiers, y compris la détection de fraude et le trading contrôlé par l'IA.
Amazone
Amazon n'a annoncé aucun développement de matériel ou de logiciel pour l'informatique quantique. Cependant, le 2 décembre 2019, le géant a lancé un certain nombre de services Web quantiques Amazon . Celles-ci incluent Amazon Bracket , qui permet aux scientifiques, chercheurs et développeurs de commencer à expérimenter avec des ordinateurs quantiques de plusieurs fournisseurs de matériel. Plus précisément, les clients peuvent accéder aux équipements de Rigetti, Ion-Q et D-Wave Systems, ce qui signifie qu'ils peuvent expérimenter des systèmes basés sur trois technologies de qubit différentes.
En plus de Bracket, Amazon a également lancé le laboratoire de solutions Amazon Quantum... Il est conçu pour aider les entreprises à «se préparer à l'informatique quantique» en leur permettant de travailler avec des experts de premier plan. Ainsi, la chose clé qu'Amazon fait avec ses offres d'informatique quantique est d'agir en tant que courtier cloud. Autrement dit, devenir un intermédiaire entre les fabricants d'ordinateurs quantiques et ceux qui souhaitent utiliser leurs capacités.
Développeurs de logiciels informatiques quantiques
Même l'ordinateur quantique le mieux équipé ne peut pas être utilisé sans le logiciel approprié, et de nombreux fabricants de ces machines développent le leur. Néanmoins, le nombre de logiciels tiers pour les ordinateurs quantiques est en constante augmentation.
1QBit
1QBit s'associe à de grandes entreprises et aux «principaux fournisseurs de matériel pour résoudre les défis d'optimisation, de simulation et d'apprentissage automatique spécifiques à l'industrie». La société développe des logiciels pour les processeurs classiques et quantiques.
CQC
Cambridge Quantum Computing développe un logiciel de calcul quantique pour résoudre les «problèmes les plus intrigants» dans des domaines tels que la chimie quantique, l'apprentissage automatique quantique et la cybersécurité quantique. Les clients comprennent des entreprises de «certaines des plus grandes organisations mondiales de sciences chimiques, énergétiques, financières et des matériaux» qui testent la puissance de l'informatique quantique.
QC Ware
QC Ware développe des «logiciels et services informatiques quantiques d'entreprise» avec des clients tels qu'Airbus, BMW et Goldman Sachs, et des partenaires matériels tels que AWS, D-Wave Systems, Google, IBM, Microsoft et Rigetti.
QSimuler
QSimulate développe des logiciels pour «exploiter la puissance de la modélisation quantitative pour résoudre des problèmes pharmaceutiques et chimiques urgents».
Rahko
Rahko crée un logiciel conçu pour utiliser l'apprentissage automatique quantique (IA quantique) pour résoudre des problèmes de chimie quantique.
Zapata
Zapata travaille avec ses clients pour développer des logiciels informatiques quantiques pour résoudre des problèmes informatiques complexes dans des domaines tels que la chimie, la finance, la logistique, la pharmacie, la construction mécanique et les matériaux.
Les applications des ordinateurs quantiques comprennent la modélisation moléculaire (également connue sous le nom de chimie quantique), l'optimisation de la logistique, la modélisation financière, la cryptographie et la formation en intelligence artificielle. Certaines grandes entreprises explorent déjà activement ce que les machines quantiques peuvent faire exactement pour leur recherche et développement, leurs produits et services et leurs résultats. Je vais vous donner quelques exemples.
Daimler travaille avec IBM et Google pour étudier comment les ordinateurs quantiques peuvent être utilisés dans la logistique pour optimiser les itinéraires de livraison des véhicules ou le flux de pièces dans les usines. La société explore également comment les ordinateurs quantiques peuvent être utilisés pour modéliser les structures chimiques et les réactions à l'intérieur des batteries afin d'améliorer les véhicules électriques.
Un autre géant de l'automobile, Volkswagen , travaille avec Google et D-Wave Systems pour appliquer les ordinateurs quantiques à la résolution des problèmes d'optimisation du trafic et au développement de meilleures batteries.
Dans le secteur financier, JPMorgan travaille avec IBM pour étudier comment les ordinateurs quantiques peuvent aider à concevoir des stratégies de trading, l'optimisation du portefeuille, la tarification des actifs et l'analyse des risques. Un autre conglomérat financier, Barclays, participe au réseau IBM Q pour voir si les ordinateurs quantiques peuvent être utilisés pour optimiser le règlement de gros lots de transactions financières.
En 2011, le géant de l'aérospatiale Lockheed Martinest devenu le premier acheteur d'un ordinateur quantique fabriqué par D-Wave Systems et a continué d'explorer la possibilité d'utiliser cette technologie pour des applications telles que le contrôle du trafic aérien et la vérification des systèmes. Airbus explore de la même manière comment les ordinateurs quantiques peuvent accélérer ses activités de recherche et a investi dans QC Ware, une société de logiciels pour les machines quantiques.
Pendant ce temps, Accenture Labs et la société de biotechnologie Biogencollaborent avec 1QBit pour explorer comment la découverte de médicaments peut être accélérée en utilisant des ordinateurs quantiques pour des comparaisons moléculaires. En septembre 2017, IBM a utilisé son matériel de 7 qubits pour modéliser la structure d'une molécule d'hydrure de béryllium triatomique. En octobre 2017, Google et Rigetti ont également annoncé OpenFermion , un programme de simulation de processus chimiques sur un ordinateur quantique.
L'avenir quantique
J'espère que cet article vous a montré comment l'informatique quantique passe assez rapidement de la fantaisie à la réalité. Il est raisonnable de supposer que dans les années 1920, les supercalculateurs quantiques seront disponibles à partir du cloud, qui trouveront des applications pratiques à faible coût. Il est possible que dans une décennie, la recherche Internet grand public et les services d'intelligence artificielle dans le cloud exploitent la puissance des machines quantiques sans que la plupart des utilisateurs ne s'en rendent compte.
Pour ceux qui souhaitent en savoir plus, voici quelques sources sélectionnées pour plus d'informations:
- Kevin Hartnett, The Dawn of Quantum Computing , Quanta Magazine, 18 juin 2019
- Article de Masoud Mohseni 2017 "Commercialisation des premières technologies quantiques"
- Article de John Preskill "Quantum Computing in the NISQ Era and Beyond" de 2018
- Site Web de la technologie IonQ
- Vidéo des systèmes D-Wave expliquant le recuit quantique
- Site Web IBM-Q
- Site de Microsoft Quantum Computing
- Site Web de Google Quantum AI
- Blog d' actualités Intel Quantum Computing
- Site Web de D-Wave Systems
- Site web de Quantum Circuits
- Site Web HQS Quantum Simulations
Dans le livre " Digital Genesis " de Christopher Barnatt, auteur de cet article et explainingcomputers.com, vous pouvez lire sur l'informatique quantique et bien plus encore sur les développements informatiques futurs, tels que les ordinateurs organiques.
