Ordinateur quantique à systèmes d’ondes D. Le principe de fonctionnement d'un ordinateur quantique. La meilleure façon d'améliorer les performances des qubits... les diamants

Un ordinateur quantique est un appareil informatique qui utilise les phénomènes de superposition quantique et d’intrication quantique pour transmettre et traiter des données. Un ordinateur quantique universel à part entière est encore un dispositif hypothétique, dont la possibilité même de construction est associée au développement sérieux de la théorie quantique dans le domaine de nombreuses particules et d'expériences complexes ; les développements dans ce domaine sont associés aux dernières découvertes et réalisations de la physique moderne. À ce jour, seuls quelques systèmes expérimentaux exécutant un algorithme fixe de faible complexité ont été mis en œuvre dans la pratique.

Des scientifiques de l'Institut de physique et de technologie de Moscou, en collaboration avec des collègues suisses, ont mené des expériences au cours desquelles ils ont réussi à forcer un ordinateur quantique à revenir à l'état du passé. De brèves conclusions de l'étude, qui décrivent la possibilité de cet effet, sont rapportées dans un communiqué de presse publié sur le site Phys.org. Détails de l'étude réalisée par une équipe internationale de physiciens dans la revue Scientific Reports.

De nombreux experts sont convaincus qu'avec l'avènement des ordinateurs quantiques à part entière, l'ère des crypto-monnaies et de la blockchain touchera à sa fin logique - les systèmes de cryptographie sur lesquels sont basées les crypto-monnaies seront instantanément piratés et les crypto-monnaies elles-mêmes se déprécieront, car le La première chose que fera le propriétaire d’un ordinateur quantique est d’extraire les Bitcoins, Ethers et autres « pièces » populaires restants. C’est exactement ce que pense Alex Beat, un physicien canadien qui a prédit un avenir sombre pour les cryptomonnaies à l’ère quantique.

La science ne s’arrête pas et, semble-t-il, ce qui était hier considéré comme du mysticisme est aujourd’hui une réalité indéniable. Alors maintenant, les mythes sur les mondes parallèles pourraient devenir une réalité courante à l’avenir. On pense que la recherche dans le domaine de la création d'un ordinateur quantique aidera à parvenir à cette affirmation. Le Japon est en tête ; plus de 70 % de toutes les recherches proviennent de ce pays. L'essence de cette découverte est plus compréhensible pour ceux qui sont d'une manière ou d'une autre liés à la physique. Mais la plupart d’entre nous ont obtenu leur diplôme d’études secondaires, où le manuel de 11e année couvrait certaines questions de physique quantique.

Où tout a commencé

Rappelons que le début a été posé par deux découvertes principales, pour lesquelles leurs auteurs ont reçu le prix Nobel. En 1918, Max Planck découvre le quantum et Albert Einstein en 1921 photon. L'idée de créer un ordinateur quantique est née en 1980, lorsque la vérité de la théorie quantique a été prouvée. Et les idées n’ont commencé à être mises en pratique qu’en 1998. Un travail massif, et en même temps assez efficace, n’a été réalisé qu’au cours des 10 dernières années.

Les principes de base sont clairs, mais à chaque pas en avant, de plus en plus de problèmes surviennent, dont la résolution prend beaucoup de temps, même si de nombreux laboratoires à travers le monde travaillent sur ce problème. Les exigences pour un tel ordinateur sont très élevées, car la précision des mesures doit être très élevée et le nombre d'influences externes doit être minimisé, chacune d'elles fausserait le fonctionnement du système quantique.

POURQUOI AVEZ-VOUS BESOIN D’UN ORDINATEUR QUANTIQUE ?

Sur quoi est basé un ordinateur quantique ?

Tout le monde, dans une plus ou moins grande mesure, a une idée du fonctionnement d'un ordinateur ordinaire. Sa signification réside dans l'utilisation d'un codage binaire, où la présence d'une certaine valeur de tension est considérée comme 1, et l'absence de 0, exprimée par 0 ou 1, est considérée comme un bit. Le fonctionnement d’un ordinateur quantique est associé au concept de spin. Pour ceux qui limitent la physique aux connaissances scolaires, ils peuvent argumenter sur l'existence de trois particules élémentaires et la présence de caractéristiques simples en elles, telles que la masse et la charge.

Mais les physiciens élargissent constamment la classe des particules élémentaires et leurs caractéristiques, dont le spin. Et une certaine direction du spin de la particule est considérée comme 1, et sa direction opposée comme 0. Ceci est similaire à la conception d’un transistor. L'élément principal sera déjà appelé bit quantique ou qubit. Il peut s'agir de photons, d'atomes, d'ions et de noyaux atomiques.

La condition principale ici est la présence de deux états quantiques. Changer l’état d’un bit particulier dans un ordinateur conventionnel n’entraîne pas de changements chez les autres, mais dans un ordinateur quantique, en changer un entraînera un changement dans l’état des autres particules. Ce changement peut être contrôlé et imaginer qu’il existe des centaines de telles particules.

Imaginez combien de fois la productivité d'une telle machine augmentera. Mais la création d’un nouvel ordinateur complet n’est qu’une hypothèse ; les physiciens ont beaucoup de travail à faire dans ce domaine de la mécanique quantique, appelé mécanique à plusieurs particules. Le premier mini-ordinateur quantique était composé de 16 qubits. Récemment, des ordinateurs utilisant 512 qubits ont été lancés, mais ils sont déjà utilisés pour augmenter la vitesse d'exécution de calculs complexes. Quipper est un langage conçu spécifiquement pour de telles machines.

Séquence des opérations effectuées

Dans la création d'un ordinateur de nouvelle génération, il existe quatre directions, qui diffèrent en ce qu'elles agissent comme des qubits logiques :

1. la direction des spins des particules qui constituent la base de l'atome ;
2. la présence ou l'absence d'une paire de Cooper dans un emplacement spécifié dans l'espace ;
3. dans quel état se trouve l’électron externe ?
4. différents états du photon.

Examinons maintenant le circuit par lequel fonctionne l'ordinateur. Pour commencer, un ensemble de qubits est pris et leurs paramètres initiaux sont enregistrés. Les transformations sont effectuées à l'aide d'opérations logiques, la valeur résultante est enregistrée, qui est le résultat émis par l'ordinateur. Les fils sont des qubits et les transformations sont constituées de blocs logiques. Un tel processeur a été proposé par D. Deutsch, qui a réussi en 1995 à créer une chaîne capable d'effectuer tous les calculs au niveau quantique. Mais un tel système produit de petites erreurs, qui peuvent être légèrement réduites en augmentant le nombre d'opérations impliquées dans l'algorithme.

Comment fonctionne un ordinateur quantique ?

Qu’avons-nous réalisé ?

Jusqu’à présent, seuls deux types d’ordinateurs quantiques ont été développés, mais la science ne reste pas immobile. Le fonctionnement des deux machines repose sur des phénomènes quantiques :

1. associée à la supraconductivité. Lorsqu'elle est violée, une quantification est observée ;
2. basée sur une propriété telle que la cohérence. La vitesse de calcul de ces ordinateurs est doublée par rapport au nombre de qubits.

Le deuxième type de ceux considérés est considéré comme prioritaire dans le domaine de la création d'ordinateurs quantiques.

Réalisations de divers pays.

Bref, les réalisations des 10 dernières années sont significatives. On peut citer l'ordinateur à deux qubits doté d'un logiciel créé en Amérique. Ils ont également pu produire un ordinateur à deux qubits doté d’un cristal de diamant. Dans le rôle des qubits, la direction de spin des particules d'azote et de ses composants : le noyau et l'électron a été utilisée. Pour offrir une protection significative, un système très complexe a été développé qui lui permet de donner des résultats avec une précision de 95 %.

ICQT 2017. John Martinis, Google : Ordinateur quantique : la vie après la loi de Moore

Pourquoi tout cela est-il nécessaire ?

La création d’ordinateurs quantiques a déjà été évoquée. Ces ordinateurs ne sont pas le résultat de leurs efforts, mais ils ont trouvé leur acheteur. La société de défense américaine Lockheed Martin a payé 10 millions de dollars. Leur acquisition est capable de détecter des erreurs dans le programme le plus complexe installé sur le chasseur F-35. Google souhaite lancer des programmes d'apprentissage automatique avec son acquisition.

Avenir

En développement d’un ordinateur quantique Les grandes entreprises et l’État sont très intéressés. Cela mènera à de nouvelles découvertes dans le domaine du développement d’algorithmes cryptographiques. Le temps décidera si cela profitera à l’État ou aux pirates. Mais le travail de création et de reconnaissance des clés cryptographiques se fera instantanément. De nombreux problèmes liés à une carte bancaire seront résolus.

Les messages seront transmis à une vitesse fulgurante et il n'y aura aucun problème pour communiquer avec n'importe quel point du globe, et peut-être même au-delà.

Un tel ordinateur y contribuera, notamment en déchiffrant le code génétique. Cela conduira à la résolution de nombreux problèmes médicaux.

Et bien sûr, cela ouvrira la porte à un pays de secrets mystiques et de mondes parallèles.

De grands chocs nous attendent. Tout ce à quoi nous sommes habitués n'est qu'une partie de ce monde, qui a déjà reçu le nom de Réalité Quantique. Ils vous aideront à dépasser le monde matériel, qui est le principe de fonctionnement d’un ordinateur quantique.

Les ordinateurs quantiques promettent au monde une vitesse de traitement des données énorme, mais développer même l’instance « non classique » la plus simple n’est pas si facile. Les scientifiques de Yale ont fait un pas de plus vers l'avenir : ils ont réussi à créer un processeur quantique à semi-conducteurs de deux qubits et à montrer qu'il est capable de fonctionner avec les algorithmes quantiques les plus simples.

Les propriétés quantiques des particules peuvent donner des résultats impressionnants, mais il est difficile de créer un analogue quantique des dispositifs au silicium à partir de matériaux ordinaires.

Laissez-moi vous expliquer. Dans les ordinateurs classiques, les informations sont cryptées sous la forme de 0 et 1 (oui/non, on/off). Chaque bit de mémoire peut prendre l'une de ces deux valeurs. Une combinaison de deux bits peut prendre quatre valeurs : 00, 11, 01 ou 10.

Dans le cas des bits quantiques (qubits), en raison du principe de superposition quantique, une cellule peut contenir à la fois 0 et 1, ainsi qu'une combinaison d'entre eux (00, 11, 01 et 10 en même temps) (nous avons parlé à ce sujet plus en détail). C’est pour cette raison que les systèmes quantiques peuvent fonctionner plus rapidement et avec de plus grandes quantités d’informations.

De plus, les qubits peuvent être intriqués : lorsque l'état quantique d'un qubit ne peut être décrit que par rapport à l'état d'un autre (dans les systèmes à l'état solide, l'intrication quantique a été réalisée pour la première fois dans le diamant). Cette propriété des systèmes quantiques est utilisée pour le traitement de l’information.

Les physiciens dirigés par Leonardo DiCarlo du Yale Center for Quantum and Information Physics ont réussi pour la première fois à créer un processeur quantique à semi-conducteurs.

Enfin, les processeurs quantiques sont devenus similaires aux puces informatiques ordinaires (photo de Blake Johnson/Université Yale).

Auparavant, pour effectuer des opérations avec des qubits, il fallait utiliser des lasers, la résonance magnétique nucléaire et des pièges à ions, écrivent les auteurs dans leur article publié dans la revue Nature (sa prépublication est également disponible sur le site arXiv.org).

Mais pour rapprocher l'émergence d'un véritable ordinateur quantique, il est nécessaire de créer une machine plus simple et moins sensible aux fluctuations des conditions extérieures. Cela signifie qu'il est conseillé de créer l'une des principales pièces de travail (le processeur) à partir de matériaux solides classiques.

C'est exactement ce que DiCarlo et ses collègues ont fait. Ils ont construit un appareil qui fonctionne avec deux qubits transmon. Transmon est constitué de deux fragments d'un supraconducteur reliés par des contacts tunnel.

Dans ce cas, le processeur est un film de matériau supraconducteur (il contient du niobium), déposé sur un substrat en corindon (oxyde d'aluminium). Des rainures sont gravées dans la surface et le courant peut les traverser (encore une fois en raison des effets quantiques).

Deux de ces qubits (représentant des milliards d’atomes d’aluminium dans le même état quantique et agissant comme une seule unité) dans la nouvelle puce sont séparés par une cavité, qui est une sorte de « bus quantique ».

"Nos expériences précédentes ont montré que deux atomes artificiels peuvent être reliés par un bus résonant, qui est un émetteur micro-ondes", explique l'un des auteurs de l'ouvrage, Robert Schoelkopf.

Ce qui est très important, c’est que pour créer le processeur, les scientifiques ont utilisé une technologie standard utilisée dans l’industrie moderne.

Le seul inconvénient de la nouvelle puce est la faible température de fonctionnement. Pour maintenir la supraconductivité, l'appareil doit être refroidi. Ceci est réalisé par un système spécial qui maintient la température autour de lui juste au-dessus du zéro absolu (de l'ordre de plusieurs millièmes de kelvin).

Schéma d'un appareil à deux qubits de Yale superposé à une photographie du processeur. Les encarts ci-dessous montrent des transmons (illustration par Nature).

Ces qubits peuvent être dans un état d’intrication quantique (obtenu grâce à des micro-ondes d’une certaine fréquence). La durée de cet état est déterminée par l'impulsion de tension.

Les scientifiques ont atteint une durée de stockage d'une microseconde (dans certains cas même trois microsecondes), ce qui reste encore la limite. Mais il y a à peine dix ans, cette valeur ne dépassait pas la nanoseconde, c'est-à-dire qu'elle était mille fois inférieure.

Notez que plus l’intrication dure longtemps, mieux c’est pour un ordinateur quantique, puisque les qubits « de longue durée » peuvent résoudre des problèmes plus complexes.

Dans ce cas, pour effectuer deux tâches différentes, le processeur a utilisé les algorithmes quantiques de Grover et de Deutsch-Jozsa. Le processeur a donné la bonne réponse dans 80 % des cas (en utilisant le premier algorithme) et dans 90 % des cas (avec le second). algorithme).

D'ailleurs, la lecture du résultat (l'état des qubits) se fait également à l'aide de micro-ondes : si la fréquence d'oscillation correspond à celle présente dans la cavité, alors le signal la traverse.

« La fréquence de résonance de la cavité dépend de l’état dans lequel se trouve le qubit. Si le rayonnement transmis passe à travers, alors il est dans l’état « correct », explique DiCarlo.

Ce travail des physiciens de Yale (ainsi que des scientifiques des universités canadiennes de Waterloo et Sherbrooke et de l'Université technique de Vienne) est sans aucun doute unique, mais la technologie de lecture utilisée peut échouer dans des systèmes plus complexes comportant un grand nombre de qubits.

DiCarlo estime qu'un processeur de 3 à 4 qubits (basé sur ce développement) sera bientôt créé, mais pour passer à l'étape suivante (augmenter le nombre de qubits à 10), une percée tout aussi significative doit être réalisée.

« Notre processeur ne peut actuellement effectuer que quelques opérations simples. Mais il présente un avantage important : il est entièrement électronique et ressemble beaucoup plus à un microprocesseur conventionnel que tous les développements précédents », explique Schölkopf dans un communiqué de presse de l'université.

Geordie Rose, directeur de la technologie de D-Wave Systems, présente le dernier ordinateur quantique construit par son entreprise (photo du NY Times).

On ne sait pas clairement quel est le lien entre cette nouvelle réalisation et les produits de l’entreprise.

L’informatique quantique, du moins en théorie, fait parler d’elle depuis des décennies. Les types de machines modernes, utilisant des mécanismes non classiques pour traiter des quantités de données potentiellement inimaginables, ont constitué une avancée majeure. Selon les développeurs, leur mise en œuvre s'est avérée être peut-être la technologie la plus complexe jamais créée. Les processeurs quantiques fonctionnent à des niveaux de matière que l’humanité n’a appris qu’il y a environ 100 ans. Le potentiel d’un tel calcul est énorme. L'utilisation des propriétés bizarres des quanta accélérera les calculs, ce qui permettra de résoudre de nombreux problèmes qui dépassent actuellement les capacités des ordinateurs classiques. Et pas seulement dans le domaine de la chimie et de la science des matériaux. Wall Street est également intéressée.

Investir dans l'avenir

CME Group a investi dans 1QB Information Technologies Inc., basée à Vancouver, qui développe des logiciels pour les processeurs quantiques. Selon les investisseurs, ce type de calcul aura probablement le plus grand impact sur les secteurs qui traitent de gros volumes de données sensibles au facteur temps. Un exemple de ces consommateurs sont les institutions financières. Goldman Sachs a investi dans D-Wave Systems et In-Q-Tel est financé par la CIA. Le premier produit des machines qui effectuent ce qu’on appelle le « recuit quantique », c’est-à-dire résoudre des problèmes d’optimisation de bas niveau à l’aide d’un processeur quantique. Intel investit également dans cette technologie, même s'il considère sa mise en œuvre comme une question d'avenir.

Pourquoi est-ce nécessaire ?

La raison pour laquelle l’informatique quantique est si passionnante est sa combinaison parfaite avec l’apprentissage automatique. Il s’agit actuellement de la principale application de tels calculs. Une partie de l’idée d’un ordinateur quantique consiste à utiliser un appareil physique pour trouver des solutions. Parfois, ce concept est expliqué à l'aide de l'exemple du jeu Angry Birds. Pour simuler la gravité et l'interaction d'objets en collision, le processeur de la tablette utilise des équations mathématiques. Les processeurs quantiques renversent cette approche. Ils « lancent » quelques oiseaux et voient ce qui se passe. Les oiseaux sont enregistrés sur une puce électronique, ils sont lancés, quelle est la trajectoire optimale ? Ensuite, toutes les solutions possibles, ou du moins une très large combinaison d’entre elles, sont testées et une réponse est renvoyée. Dans un ordinateur quantique, il n’y a pas de mathématicien, ce sont les lois de la physique qui fonctionnent.

Comment ça marche ?

Les éléments de base de notre monde sont la mécanique quantique. Si vous regardez les molécules, la raison pour laquelle elles se forment et restent stables est l’interaction de leurs orbitales électroniques. Tous les calculs de mécanique quantique sont contenus dans chacun d’eux. Leur nombre augmente de façon exponentielle avec le nombre d’électrons simulés. Par exemple, pour 50 électrons, il existe 2 options possibles à la puissance 50. C’est phénoménal, il est donc impossible de le calculer aujourd’hui. Relier la théorie de l’information à la physique peut ouvrir la voie à la résolution de tels problèmes. Un ordinateur de 50 qubits peut le faire.

L'aube d'une nouvelle ère

Selon Landon Downs, président et co-fondateur de 1QBit, un processeur quantique est la capacité d'exploiter la puissance de calcul du monde subatomique, ce qui a d'énormes implications pour l'obtention de nouveaux matériaux ou la création de nouveaux médicaments. Il y a une transition du paradigme de la découverte vers une nouvelle ère du design. Par exemple, l’informatique quantique peut être utilisée pour modéliser des catalyseurs qui éliminent le carbone et l’azote de l’atmosphère et contribuent ainsi à stopper le réchauffement climatique.

À la pointe du progrès

La communauté du développement technologique est extrêmement enthousiaste et active. Des équipes du monde entier, issues de startups, d'entreprises, d'universités et de laboratoires gouvernementaux, s'affrontent pour construire des machines utilisant différentes approches de traitement de l'information quantique. Des puces de qubits supraconducteurs et des qubits d'ions piégés ont été créés par des chercheurs de l'Université du Maryland et de l'Institut national américain des normes et de la technologie. Microsoft développe une approche topologique appelée Station Q, qui vise à exploiter un anion non-abélien dont l'existence n'a pas encore été prouvée de manière concluante.

L’année d’une possible percée

Et ce n'est que le début. Fin mai 2017, le nombre de processeurs quantiques capables de faire quelque chose de clairement plus rapide ou mieux qu'un ordinateur classique était nul. Un tel événement établirait la « suprématie quantique », mais il ne s’est pas encore produit. Même s’il est probable que cela se produise cette année. La plupart des initiés affirment que le favori incontestable est l'équipe de Google dirigée par John Martini, professeur de physique à l'UC Santa Barbara. Son objectif est d'atteindre la supériorité informatique en utilisant un processeur de 49 qubits. Fin mai 2017, l’équipe avait testé avec succès une puce de 22 qubits comme étape intermédiaire vers le démontage d’un supercalculateur classique.

Où tout a commencé ?

L’idée d’utiliser la mécanique quantique pour traiter l’information existe depuis des décennies. L'un des événements clés s'est produit en 1981, lorsqu'IBM et le MIT ont organisé conjointement une conférence sur la physique de l'informatique. Le célèbre physicien a proposé de construire un ordinateur quantique. Selon lui, la mécanique quantique devrait être utilisée pour la modélisation. Et c’est une tâche formidable car cela ne semble pas si facile. Le principe de fonctionnement du processeur quantique repose sur plusieurs propriétés étranges des atomes : la superposition et l'intrication. Une particule peut être dans deux états à la fois. Cependant, une fois mesuré, il n’apparaîtra que dans l’un d’entre eux. Et il est impossible de prédire lequel, sauf du point de vue de la théorie des probabilités. Cet effet est à la base de l'expérience de pensée du chat de Schrödinger, qui est à la fois vivant et mort dans une boîte jusqu'à ce qu'un observateur y jette un coup d'œil. Rien dans la vie de tous les jours ne fonctionne de cette façon. Cependant, environ un million d'expériences menées depuis le début du XXe siècle montrent que la superposition existe bel et bien. Et la prochaine étape consiste à comprendre comment utiliser ce concept.

Processeur quantique : description de poste

Les bits classiques peuvent prendre la valeur 0 ou 1. Si vous faites passer leur chaîne par des « portes logiques » (ET, OU, NON, etc.), vous pouvez multiplier des nombres, dessiner des images, etc. Un qubit peut prendre les valeurs 0, 1 ou les deux en même temps. Si, disons, 2 qubits sont intriqués, cela les rend parfaitement corrélés. Un processeur quantique peut utiliser des portes logiques. T.n. La porte Hadamard, par exemple, place le qubit dans un état de superposition parfaite. Lorsque la superposition et l’intrication sont combinées avec des portes quantiques judicieusement placées, le potentiel de l’informatique subatomique commence à se déployer. 2 qubits permettent d'explorer 4 états : 00, 01, 10 et 11. Le principe de fonctionnement d'un processeur quantique est tel que réaliser une opération logique permet de travailler avec toutes les positions à la fois. Et le nombre d’états disponibles est 2 à la puissance du nombre de qubits. Ainsi, si vous construisiez un ordinateur quantique universel de 50 qubits, vous pourriez théoriquement explorer toutes les combinaisons de 1,125 quadrillions à la fois.

Kudits

Le processeur quantique en Russie est vu un peu différemment. Des scientifiques du MIPT et du Centre quantique russe ont créé des « qudits », qui sont plusieurs qubits « virtuels » avec différents niveaux « d'énergie ».

Amplitudes

Un processeur quantique présente l’avantage que la mécanique quantique est basée sur les amplitudes. Les amplitudes sont similaires à la probabilité, mais elles peuvent aussi être des nombres négatifs et complexes. Ainsi, si vous devez calculer la probabilité d'un événement, vous pouvez additionner les amplitudes de toutes les options possibles pour leur développement. L’idée derrière l’informatique quantique est d’essayer de l’ajuster de manière à ce que certains chemins vers de mauvaises réponses aient une amplitude positive et d’autres une amplitude négative, afin qu’ils s’annulent mutuellement. Et les chemins menant à la bonne réponse auraient des amplitudes en phase les unes avec les autres. L’astuce consiste à tout organiser sans savoir à l’avance quelle réponse est la bonne. Ainsi, la nature exponentielle des états quantiques, combinée au potentiel d’interférence entre amplitudes positives et négatives, constitue un avantage de ce type de calcul.

L'algorithme de Shor

Il existe de nombreux problèmes qu’un ordinateur ne peut pas résoudre. Par exemple, le cryptage. Le problème est qu’il n’est pas facile de trouver les facteurs premiers d’un nombre à 200 chiffres. Même si votre ordinateur portable exécute un excellent logiciel, vous devrez peut-être attendre des années pour trouver la réponse. Une autre étape importante dans l'informatique quantique a été un algorithme publié en 1994 par Peter Shor, aujourd'hui professeur de mathématiques au MIT. Sa méthode consiste à trouver les facteurs d’un grand nombre à l’aide d’un ordinateur quantique qui n’existait pas encore. Essentiellement, l’algorithme effectue des opérations qui pointent vers les zones contenant la bonne réponse. L'année suivante, Shor découvre une méthode de correction des erreurs quantiques. Beaucoup ont alors réalisé qu’il s’agissait d’une méthode informatique alternative, qui dans certains cas pourrait être plus puissante. Ensuite, il y a eu un regain d'intérêt de la part des physiciens pour la création de qubits et de portes logiques entre eux. Et aujourd’hui, deux décennies plus tard, l’humanité est sur le point de créer un ordinateur quantique à part entière.

Vous êtes tous habitués à nos ordinateurs : le matin nous lisons les informations depuis un smartphone, l'après-midi nous travaillons avec un ordinateur portable et le soir nous regardons des films sur une tablette. Tous ces appareils ont une chose en commun : un processeur au silicium composé de milliards de transistors. Le principe de fonctionnement de tels transistors est assez simple : en fonction de la tension fournie, nous obtenons une tension différente à la sortie, qui est interprétée soit comme 0 logique, soit comme 1 logique. Pour effectuer des opérations de division, il y a un décalage binaire - si nous, par exemple, étions le nombre 1101, alors après l'avoir décalé de 1 bit vers la gauche, ce sera 01101, et si maintenant nous le décalons de 1 bit vers la droite, ce sera 01110. Et le problème principal réside dans le fait que pour une même division, plusieurs dizaines de telles opérations peuvent être nécessaires. Oui, étant donné qu'il existe des milliards de transistors, une telle opération prend des nanosecondes, mais s'il y a beaucoup d'opérations, on perd du temps sur ces calculs.

Comment fonctionnent les ordinateurs quantiques

Un ordinateur quantique offre une manière de calculer complètement différente. Commençons par la définition :

Ordinateur quantique -appareil informatique, qui utilise des phénomènessuperposition quantiqueEtintrication quantiquepour la transmission et le traitement des données.

Ce n’est clairement pas devenu plus clair. La superposition quantique nous dit que le système, avec un certain degré de probabilité, existe dans tous les états possibles (la somme de toutes les probabilités, bien entendu, est égale à 100 % ou 1). Regardons cela avec un exemple. Les informations dans les ordinateurs quantiques sont stockées dans des qubits - alors que les bits ordinaires peuvent avoir un état de 0 ou 1, un qubit peut alors avoir un état de 0, 1 et 0 et 1 en même temps. Donc, si nous avons 3 qubits, par exemple 110, alors cette expression en bits équivaut à 000, 001, 010, 011, 100, 101, 110, 111.

Qu'est-ce que cela nous donne ? C'est ça! Par exemple, nous avons un mot de passe numérique à 4 caractères. Comment un processeur ordinaire peut-il le pirater ? En recherchant simplement de 0000 à 9999. 9999 dans le système binaire a la forme 10011100001111, c'est-à-dire que nous avons besoin de 14 bits pour l'écrire. Par conséquent, si nous avons un PC quantique avec 14 qubits, nous connaissons déjà le mot de passe : après tout, l’un des états possibles d’un tel système est le mot de passe ! En conséquence, tous les problèmes que même les superordinateurs mettent désormais des jours à calculer seront résolus instantanément grâce aux systèmes quantiques : avez-vous besoin de trouver une substance possédant certaines propriétés ? Pas de problème, créez un système avec le même nombre de qubits que vos besoins en matière - et la réponse sera déjà dans votre poche. Avez-vous besoin de créer une IA (intelligence artificielle ? Rien de plus simple : alors qu’un PC classique essaiera toutes les combinaisons, un ordinateur quantique fonctionnera à la vitesse de l’éclair, choisissant la meilleure réponse.


Il semblerait que tout va bien, mais il y a un problème important : comment connaître le résultat des calculs ? Avec un PC classique, tout est simple, on peut le prendre et le lire en se connectant directement au processeur : les 0 et 1 logiques y sont définitivement interprétés comme l'absence et la présence de charge. Mais cela ne fonctionnera pas avec les qubits - après tout, à tout moment, ils sont dans un état arbitraire. Et c’est là que l’intrication quantique vient à notre secours. Son essence réside dans le fait que vous pouvez obtenir une paire de particules connectées les unes aux autres (en termes scientifiques - si, par exemple, la projection de spin d'une particule intriquée est négative, alors l'autre sera certainement positive). A quoi ça ressemble sur vos doigts ? Disons que nous avons deux boîtes contenant chacune un morceau de papier. Nous transportons des boîtes à n'importe quelle distance, ouvrons l'une d'elles et constatons que le morceau de papier qu'elle contient est rayé horizontalement. Cela signifie automatiquement que l'autre morceau de papier aura des rayures verticales. Mais le problème est que dès que nous connaissons l'état d'un morceau de papier (ou d'une particule), le système quantique s'effondre - l'incertitude disparaît, les qubits se transforment en bits ordinaires.

Par conséquent, les calculs sur les ordinateurs quantiques sont essentiellement ponctuels : nous créons un système constitué de particules intriquées (nous savons où se trouvent leurs autres « moitiés »). Nous effectuons des calculs, puis « ouvrons la boîte avec le morceau de papier » - nous découvrons l'état des particules intriquées, et donc l'état des particules dans l'ordinateur quantique, et donc le résultat des calculs. Donc, pour de nouveaux calculs, vous devez recréer des qubits - simplement "fermer la boîte avec le morceau de papier" ne fonctionnera pas - après tout, nous savons déjà ce qui est dessiné sur le morceau de papier.

La question se pose - puisqu'un ordinateur quantique peut deviner instantanément n'importe quel mot de passe - comment protéger les informations ? La vie privée va-t-elle disparaître avec l’avènement de tels appareils ? Bien sûr que non. Le cryptage dit quantique vient à la rescousse : il repose sur le fait que lorsque l’on tente de « lire » un état quantique, celui-ci est détruit, ce qui rend tout piratage impossible.

Ordinateur quantique domestique

Eh bien, la dernière question – puisque les ordinateurs quantiques sont si cool, puissants et impossibles à pirater – pourquoi ne les utilisons-nous pas ? Le problème est trivial : l'impossibilité de mettre en œuvre un système quantique dans des conditions domestiques ordinaires. Pour qu'un qubit puisse exister indéfiniment dans un état de superposition, des conditions extrêmement spécifiques sont nécessaires : un vide complet (absence d'autres particules), une température aussi proche que possible de zéro Kelvin (pour la supraconductivité) et une absence totale de rayonnement électromagnétique. (pour aucune influence sur le système quantique). D'accord, il est difficile de créer de telles conditions à la maison, c'est un euphémisme, mais le moindre écart entraînera la disparition de l'état de superposition et les résultats des calculs seront incorrects. Le deuxième problème est de faire interagir les qubits les uns avec les autres : lors de l’interaction, leur durée de vie est réduite de manière catastrophique. En conséquence, le maximum pour cette journée est constitué d'ordinateurs quantiques avec quelques dizaines de qubits.

Cependant, il existe des ordinateurs quantiques de D-Wave qui ont 1000 qubits, mais, d'une manière générale, ce ne sont pas de vrais ordinateurs quantiques, car ils n'utilisent pas les principes de l'intrication quantique, ils ne peuvent donc pas fonctionner selon les algorithmes quantiques classiques :


Néanmoins, ces appareils s'avèrent nettement (des milliers de fois) plus puissants que les PC conventionnels, ce qui peut être considéré comme une avancée décisive. Cependant, ils ne remplaceront pas les appareils des utilisateurs de si tôt - nous devons d'abord apprendre à créer les conditions nécessaires au fonctionnement de tels appareils à la maison ou, au contraire, « faire » fonctionner ces appareils dans les conditions qui nous sont familières. Des pas dans la deuxième direction ont déjà été franchis : en 2013, le premier ordinateur quantique à deux qubits a été créé sur une impureté diamant, fonctionnant à température ambiante. Cependant, hélas, ce n'est qu'un prototype, et 2 qubits ne suffisent pas pour les calculs. L’attente pour les PC quantiques est donc encore très, très longue.