L’ordinateur quantique, qu’est ce que c’est ?

ordinateur quantique d wave 2000 q
Ordinateur quantique D-Wave 2000Q

Avez-vous déjà entendu parlé de l’ordinateur quantique 2000Q ? Quoi qu’il en soit, c’est un ordinateur sorti en janvier 2017 dont le prix est de 15 millions de dollars. Autant vous dire que pour l’instant, c’est le monde scientifique qui en a l’utilité car il n’est pas commercialisé. Cet ordinateur a été fabriqué par la société D-Wave Systems qui est la toute première dans le domaine. Bien que tout cela semble futuriste, l’entreprise déjà âgée de 20 ans a fabriqué plusieurs types d’ordinateurs quantiques des années 2010 à aujourd’hui. Même si nous commençons à savoir faire fonctionner ces ordinateurs, il reste de nombreux mystères quant à leur principe très spéciale, même chez les plus grands scientifiques. 

Mais au fait, qu’est ce que c’est et comment ça marche ?

Pourquoi parle-t-on d'ordinateur quantique ?

Un peu de mécanique quantique

La mécanique quantique est un modèle théorique permettent d’expliquer ce qui se passe à l’échelle des atomes et autres petites particules. A notre échelle, il existe la mécanique classique de Newton. Celle-ci décrit les objets comme ayant une masse, une vitesse ainsi qu’une position pouvant toutes être déterminées, ce qui n’est pas toujours le cas au niveau microscopique. L’étude de la mécanique quantique ne date que du début du XXe siècle et il est difficile de la comparer à l’ancien modèle mécanique. En fait, il semble qu’il y ait une rupture des règles qui régissent les deux échelles. Peut-être aussi que le lien entre les deux dépasse notre imagination et que nous devons nous contenter d’analogies avec ce que nous connaissons.

Il existe une multitude de phénomènes dans la mécanique quantique qu’il serait long d’expliquer dans cet article. Vous pouvez tout de même retenir que son nom vient du fait qu’il existe une quantification de niveaux d’énergie, au sein des atomes. Celle-ci ne peut prendre que certaines valeurs, d’où son nom de quantique. Cette quantification se retrouve également au niveau de la masse et de la quantité de mouvement.

Un autre aspect est celui des probabilités. Les électrons se déplaçant autour du noyaux d’un atome sont décrits comme se situant à plusieurs endroits à la fois. On peut ainsi se représenter des zones où la probabilité qu’il s’y trouve varie.

Dualité onde corpuscule

La dualité onde-corpuscule décrit la matière à cette échelle comme à la fois une onde ET une particule. Cette bizarrerie a été mise en évidence par Thomas Young avec sa célèbre expérience dite des fentes de Young. Elle est considérée par certains comme une des plus incroyables expériences de l’histoire.

dualité onde corpuscule
© J.-C BENOIST/LICENCE CREATIVE COMMONS CC BY 2.5

On peut se représenter la dualité onde corpuscule comme la double projection d’un cylindre de part son ombre. D’un côté l’ombre est un disque et de l’autre c’est un carré. Mais en réalité, le cylindre n’est ni un disque, ni un carré. 

Ainsi, dans cette analogie, la véritable identité de la matière serait le cylindre. Cependant, nous se serions capable de ne voir que ses ombres de deux façon différentes. Bien qu’elles ne soient pas, elle proviennent de la même structure.

Voici 2 liens qui vous mèneront vers des vidéos de vulgarisation scientifique expliquant un peu plus les concepts de base de la mécanique quantique. 🙂

A quoi servent les ordinateur quantique ?

La révolution du calcul

On entend souvent dire que l’ordinateur quantique serait en mesure d’exploser les ordinateurs classique en terme de rapidité. En réalité, il n’existe encore que très peu de problèmes résolus plus facilement avec celui-ci. Ceci est dû au fait que l’ordinateur quantique réalise le travail d’un grand nombre d’ordinateurs classiques à la fois, mais qu’il ne puisse sortir qu’un seul résultat. En effet, un qubit peut se trouver dans un grand nombre d’états mais il n’est possible d’en connaitre qu’un seul: c’est le phénomène de la réduction du paquet d’onde.

Il sera préférable d’utiliser un ordinateur classique à un ordinateur quantique pour réaliser de multiples tâches. L’ordinateur quantique sera donc moins polyvalent que ceux d’aujourd’hui. Ce dernier sera plus performant avec des algorithmes spéciaux. Les scientifiques espèrent résoudre des problèmes de factorisation de grands nombres en nombres premiers par exemple. D’autres problèmes mathématiques faisant intervenir des notions exponentiels pourront être résolus plus rapidement.

Les limites de la loi de Moore

Les ordinateurs classiques n’ont cessé d’augmenter leurs performances depuis leur invention. A leur début, c’était de gigantesques salles remplies d’électronique dont les performances étaient inférieures aux calculettes modernes. Aujourd’hui, les processeurs des superordinateurs sont dotés de toujours plus de transistors: de quelques milliers dans les années 70 à des dizaines de milliards aujourd’hui. 

Gordon Moore, cofondateur de Intel Corporation, avait estimé que le nombre de transistors pouvant tenir sur une surface donnée doublerait tous les 18 mois. Ils deviendraient par ailleurs deux fois moins cher au bout d’une même durée. Cela se confirme avec ce graphique semi-logarithmique.

graphique loi de moore
Loi de Moore - futuribles.com

D’un autre côté, ces améliorations ont des limites. Il est techniquement impossible de doubler le nombre de transistors infiniment. Aujourd’hui, on semble atteindre une limite ou chaque transistor gravé dans le silicium est de l’ordre de grandeur d’un atome. Au delà, il ne sera plus possible d’optimiser leur taille pour accroître les performances de la machine, à moins d’utiliser une nouvelle technologie. Voilà ce qui nous mène sur la voie de ces nouveaux ordinateurs qui feront avancer les connaissances quantiques de l’humanité.

De nouvelles possibilités

Un grand nombre d’applications à ces ordinateurs quantiques pourraient apparaître d’ici quelques années. Bien qu’il reste un grand chemin au niveau de son développement, cette technologie pourrait faire fonctionner des algorithmes permettant la mise au point de nouveaux médicaments et moléculesDe nombreux problèmes au sujet de la mécanique quantique pourraient aussi être élucidés. En tout cas, Le mieux que nous puissions faire est de rester optimistes ! 😉

Enfin… Il reste un sujet important à aborder sur ce sujet. La sécurité informatique risque de se retrouver menacée, en particulier à cause de cette puissance de calcul. Les ordinateurs quantiques pourraient être en mesure de casser les algorithmes de chiffrement RSA par exemple. Il sera donc nécessaire d’en concevoir de nouveaux, plus puissants, pour contrecarrer ces mauvais points.

Un ordinateur quantique commercialisé

ordinateur quantique ibm
IBM Q System One

Alors que les grandes entreprises développent leurs modèles d’ordinateurs quantiques, IBM à dévoilé le sien en janvier 2019. IBM Q System One est un ordinateur quantique de 20 qubits tenant dans un grand cube de verre de 2,74 m de côté. La machine doit être maintenue à une température avoisinant le zéro absolu, soit -273,15 °C. Vous pouvez donc imaginer la quantité d’énergie que celui-ci a besoin pour fonctionner. Il doit également être isolé de la moindre vibration car les qubits ne doivent recevoir aucune perturbation pour ne pas se figer dans un certain état.

Avec l’ordinateur quantique, il est fort probable que nous rencontrions une nouvelle révolution informatique et quantique. Tout comme les débuts de l’informatique ont révolutionné le monde, les recherches autour de ce sujet permettront d’en apprendre davantage autour de la mécanique quantiques. On s’attend à découvrir au fur de leur développement des versions réduites de ces ordinateurs. Le calcul quantique atteindra-t-il un jour nos smartphones et autres objets connectés du quotidien ? Ces progrès pourraient également êtres bénéfiques à la voiture autonome dont les algorithmes nécessitent une puissance de calcul élevée.

Retrouver notre article sur Tesla pour en savoir plus sur les véhicules électriques et autonomes.

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