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Tout savoir sur le quantum computing

Quantum computing

Le quantum computing est une révolution du domaine informatique. Cette technologie émergente repose sur la mécanique quantique pour la conception de nouveaux types d’ordinateurs beaucoup plus puissants que les supercalculateurs.

À mesure que l’intelligence artificielle et le Big Data progressent, les experts doivent développer des machines de plus en plus puissantes pour résoudre les problèmes complexes. L’informatique quantique pourrait devenir la solution et ce pour plusieurs raisons. Qu’est-ce que le quantum computing ? En quoi il diffère-t-il de l’informatique classique ? Quelle est son utilité ? Voici les réponses à toutes vos questions.

Le quantum computing, qu’est-ce que c’est ?

Lorsque les physiciens observent le monde à une très petite échelle, les phénomènes qui se produisent sont différents de ce que nous voyons en temps normal. Pour être plus précis, l’étude de ce monde minuscule se fait à l’échelle atomique ou subatomique et est désignée par la mécanique quantique.

Maintenant, le quantum computing consiste à exploiter les lois de la mécanique quantique pour résoudre des problèmes informatiques complexes. Si les supercalculateurs sont les ordinateurs classiques les plus puissants au monde, un ordinateur quantique l’est encore plus. En effet, l’informatique quantique peut être 158 millions de fois plus rapide que le meilleur superordinateur existant.

Informatique quantique vs informatique classique

Un supercalculateur, aussi bien qu’un ordinateur ordinaire, fonctionne sur la même base : les bits. Les bits correspondent à des chiffres binaires qui sont, en quelque sorte, des minuscules interrupteurs. Le chiffre zéro indique la position « arrêt » et le chiffre un, la position « marche ». Toute opération d’informatique classique est donc une combinaison de 1 et de 0. Autrement dit, une tâche spécifique correspond à un code binaire précis. Cela signifie qu’un ordinateur classique doit attendre la fin d’un processus pour en commencer un autre.

Le quantum computing, ou l’informatique quantique en français, utilise des « qubits » à la place des bits. Il s’agit d’une abréviation de bit quantique, qui peut être un zéro, un un ou les deux à la fois. En d’autres termes, les qubits peuvent se trouver dans plusieurs états en même temps. Par conséquent, au lieu d’attendre la fin d’un processus pour en lancer un autre, un ordinateur quantique peut les lancer simultanément. Une tâche qui prendrait 10 000 ans pour un supercalculateur pourrait alors être effectuée en quelques minutes par un ordinateur quantique.

Comment fonctionne le quantum computing ?

Entrons un peu plus dans les détails pour mieux comprendre le concept de quantum computing et les caractéristiques d’un ordinateur quantique.

La superposition

La possibilité pour un qubit d’être dans plusieurs états à la fois constitue ce qui est appelé la superposition. En d’autres termes, celle-ci combine toutes les configurations possibles du bit quantique. Cela permet à l’ordinateur quantique d’effectuer des calculs complexes et multidimensionnels. En pratique, cela signifie qu’au lieu d’essayer un à un toutes les solutions possibles à un problème, le quantum computing permet de tout essayer en même temps.

L’intrication

L’informatique quantique a une autre propriété connue sous le nom de l’intrication. Dans ce phénomène de la mécanique quantique, deux particules ou plus partagent les mêmes propriétés. Deux qubits intriqués forment une connexion de sorte que si l’un d’entre eux est modifié, cela aura également un impact sur l’autre. Plus précisément, ils réagissent de la même manière, quelle que soit la distance qui les sépare. Maintenant, l’intrication de plusieurs qubits permet de résoudre des problèmes complexes qui, autrement, prendraient des millions d’années aux ordinateurs les plus puissants.

À l’intérieur d’un ordinateur quantique

En matière de design, malgré sa puissance colossale, un ordinateur quantique est d’une plus petite taille qu’un supercalculateur. Il nécessite aussi moins d’énergie, mais nécessite tout de même un système de refroidissement.

Dans le quantum computing, l’information est donc stockée dans un registre de qubits, permettant ainsi un traitement massivement parallèle. Notons alors qu’il existe différents types de bits quantiques dont le plus avancé est probablement le qubit supraconducteur. À une température ultra-basse, les électrons traversent sans résistance pour créer une superposition de deux états. Deux supraconducteurs placés de part et d’autre d’une couche d’isolant forment une jonction Josephson. IBM, Google, D-Wave et Intel comptent parmi ceux qui utilisent cette technique.

Le qubit sur silicium quant à lui utilise la superposition du spin d’un électron. Une seule puce pourrait en contenir des millions, voire des milliards, grâce à sa petite taille (30 nm). En outre, le qubit à ions piégés consiste à orienter magnétiquement des ions sous vide pour activer les portes quantiques.

Pour finir, le qubit photonique sert à décrire l’état d’un photon en fonction de sa polarisation, de sa couleur et de sa forme. L’activation des portes quantiques se fait à l’aide d’un système optique. Alors que les trois premiers types de qubits fonctionnent à basse température, le qubit photonique, lui, fonctionne à température ambiante.

Pourquoi adopter le quantum computing ?

Le quantum computing n’est pas nécessaire lorsqu’il s’agit de tâches simples comme le traitement de texte ou de feuilles de calcul. Il s’attaque plutôt à l’analyse prédictive de grande envergure comme la prévision météorologique ou la modélisation du trafic. Un ordinateur quantique est également un meilleur système de cryptage.

Actuellement, les supercalculateurs sont considérés comme les meilleures solutions pour résoudre les problèmes complexes. Mais cela implique de traiter de nombreuses variables interagissant de manière complexe et à une vitesse fulgurante. Par conséquent, même le plus avancé des superordinateurs peut se planter et c’est là que les ordinateurs quantiques entrent en jeu.

Ils peuvent à la fois réagir aux informations changeantes et examiner simultanément tous les résultats et les permutations possibles. En d’autres termes, le quantum computing offre une puissance presque illimitée. Par ailleurs, la petite taille d’un système quantique fait qu’il consomme moins d’énergie que les ordinateurs classiques. De ce fait, l’informatique quantique est une meilleure alternative en termes de protection de l’environnement.

Un autre avantage concerne la sécurité des données. À la différence des systèmes classiques, le cryptage quantique est inviolable, les clés ne peuvent être ni copiées ni piratées.

Le quantum computing et l’intelligence artificielle

Entre autres branches de l’informatique, l’intelligence artificielle est un domaine dans lequel le quantum computing peut exceller. L’IA traite de tous les aspects de la vie quotidienne, mais elle s’intéresse également à des problèmes complexes qui nécessitent l’utilisation de puissants systèmes informatiques.

Le plus grand défi des algorithmes intelligents réside dans la quantité de données à traiter. Le volume de données générées par jour équivaut au contenu de 5 millions d’ordinateurs portables. Toute activité des internautes contribue à alimenter le Big Data. Cela va des tweets et des likes sur Facebook à l’ouverture de comptes et à la sauvegarde de fichiers médias. Pour les scientifiques, créer un système informatique quantique viable est aujourd’hui la meilleure solution pour traiter toutes ces informations.

Résoudre les problèmes complexes de l’IA

Comme nous l’avons déjà mentionné, l’écart de la vitesse de traitement entre un ordinateur quantique et un superordinateur est incommensurable. Avec la quantité de données à laquelle l’IA doit faire face, une telle puissance est inestimable. De ce fait, le quantum computing peut résoudre les problèmes les plus complexes en quelques minutes.

Exploiter efficacement les données

Outre la puissance et la vitesse, l’informatique quantique devrait améliorer la capacité d’analyse des données. Il s’agit d’une étape essentielle au développement de tout projet d’IA ou de machine learning. Cela implique l’échantillonnage des données dans le but de perfectionner les solutions.

D’autre part, l’émergence du Big Data contraint les experts à repenser l’architecture informatique pour traiter les quantités massives de données. Le volume est associé à une plus grande complexité des problèmes à résoudre et donc à un besoin croissant de nouvelles approches. Pour faire simple, le quantum computing aidera à optimiser les analyses prédictives et par conséquent les prises de décision.

Identification des modèles

Toujours en rapport avec les grands ensembles de données, l’intelligence artificielle permet d’identifier les modèles cachés ou les anomalies que les humains ne peuvent pas. L’utilisation d’un ordinateur quantique permet de propulser cette capacité. Par exemple, un système d’IA quantique pourrait identifier les similitudes entre les données en quelques secondes. Certes, les supercalculateurs peuvent déjà effectuer ces tâches en un temps éclair, mais seulement en examinant un enregistrement après l’autre. En revanche, le traitement parallèle rendu possible par le quantum computing est, de façon exponentielle, plus rapide.

Exemples pratiques

Google utilise un ordinateur quantique dont la vitesse dépasserait, selon l’entreprise, de 100 millions de fois celles de tous les systèmes existants. Elle exploite actuellement la puissance du quantum computing dans le développement de sa technologie de conduite autonome.

Par ailleurs, la mécanique quantique est un moyen de comprendre le comportement des particules qui composent le monde. De ce fait, elle permet de simuler et de modéliser ces comportements afin de créer des produits plus efficaces. Nous pouvons par exemple citer la conception de nouveaux matériaux pour les batteries de voitures électriques ou pour les dispositifs robotiques, de même que des panneaux solaires.

L’intelligence artificielle alimentée par la puissance de l’informatique quantique peut également s’appliquer à la médecine. En effet, certains scientifiques pensent que les simulations quantiques permettraient de développer des traitements plus efficaces pour les maladies comme l’Alzheimer. Nous pouvons encore parler de la modélisation de réactions chimiques ou de la prévision des marchés financiers dans lesquels les données varient à une vitesse vertigineuse.

Les défis de l’informatique quantique

Les principaux défis du quantum computing se résument à l’explicabilité et à la fiabilité. En effet, avec la vitesse à laquelle un ordinateur quantique effectue des calculs, il devient impossible de vérifier la justesse des résultats. Les approches de vérifications existantes permettent au mieux de valider le système à un niveau méthodologique et non au niveau des données.

Néanmoins, si ce n’est pas possible avec un ordinateur classique, l’informatique quantique elle-même peut être la solution. En effet, des chercheurs ont récemment développé une technique de vérification croisée qui implique que les ordinateurs quantiques se vérifient mutuellement.

Pour concevoir un système informatique quantique, il faudra avoir des connaissances de base en mécanique quantique. Néanmoins, une fois passé le stade de la conception, un simple développeur informatique pourra facilement se familiariser avec le quantum computing. Et rappelons que pour certains problèmes informatiques et d’IA, un supercalculateur peut toujours faire l’affaire. Mais pour les calculs complexes, l’informatique quantique est la meilleure alternative en termes de puissance, mais aussi sur le plan énergétique et environnemental.

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