Les ordinateurs classiques adoptent des idées quantiques

Une puce de silicium à trois qubits créée par des chercheurs d'IBM dans l'espoir de concevoir un jour de telles puces avec des milliers de qubits.

Un jour, les ordinateurs quantiques seront en mesure de résoudre des problèmes d'optimisation complexes, de démonter rapidement d'énormes ensembles de données, de simuler des expériences physiques qui nécessitent désormais des milliards d'accélérateurs de particules. et résoudre de nombreux autres problèmes qui ne sont pas disponibles sur les ordinateurs actuels. A moins, bien sûr, qu'ils ne puissent être construits. Mais alors que les problèmes techniques ne leur permettent pas d'apparaître, les théoriciens appliquent les idées et technologies inhérentes à l'informatique quantique pour résoudre des problèmes anciens et graves de l'informatique classique, des mathématiques et de la cryptographie.

«Il y a beaucoup de débats sur la création éventuelle d'ordinateurs quantiques», explique Chris Peikert, spécialiste de la cryptographie et de l'informatique au Georgia Institute of Technology. "Mais c'est une question, et la seconde est de savoir si les techniques quantiques ou les algorithmes peuvent vous aider à résoudre les problèmes de nouvelles façons."

Récemment, des idées quantiques ont aidé des chercheurs à prouver la sécurité de technologies de chiffrement prometteuses appelées «cryptographie sur réseau», dont l'utilisation peut aider à cacher des données d'utilisateurs sensibles, telles que leur ADN, même aux entreprises qui traitent ces données. La preuve par des calculs quantiques a également conduit à la formule de la longueur minimale des codes de correction d'erreur protégeant les données contre les dommages.

Les idées quantiques ont inspiré de nombreux résultats importants, tels que la réfutation d'un algorithme erroné qui aurait résolu efficacement le problème du voyageur de commerce.

«Si cela arrivait une fois, ce serait une coïncidence. Mais il y a tellement d'options où la pensée «quantique» mène à des preuves », explique Oded Regev, spécialiste informatique à l'Université de New York.


Pour le chiffrement des données, vous pouvez utiliser des réseaux multidimensionnels, dont la preuve a été obtenue en utilisant l'informatique quantique

En conséquence, certains chercheurs considèrent que l'informatique quantique n'est pas un domaine ésotérique de l'informatique, mais une généralisation des calculs classiques, tout comme les polygones sont une généralisation des triangles. Tout comme les polygones peuvent avoir un nombre quelconque de côtés et les triangles n'en ont que trois, les ordinateurs quantiques peuvent fonctionner avec n'importe quel nombre (positif, négatif, réel, imaginaire), tandis que les ordinateurs classiques n'utilisent que des nombres positifs réels.

Dans un cas plus général, les idées quantiques sont de puissants outils pour résoudre des problèmes informatiques classiques. "Il y a plusieurs problèmes classiques qui n'ont rien à voir avec le monde quantique, mais il est préférable de les analyser en généralisant au niveau quantique, en prouvant quelque chose en utilisant la théorie de l'information quantique, puis en revenant au niveau classique", explique Ronald de Wulf, théoricien de l'informatique au Centre néerlandais de mathématiques et d'informatique.

Selon les estimations d'aujourd'hui, pas plus de 5% des scientifiques travaillant dans le domaine de l'informatique théorique étudient l'informatique quantique. Mais les chercheurs disent que les récents succès de la «pensée quantique» ont conduit à une augmentation du nombre de théoriciens cherchant à apprendre la physique. "Ces étonnantes ramifications de l'informatique quantique ont en fait forcé les scientifiques à utiliser l'informatique classique pour étudier l'informatique quantique", a déclaré Scott Aaronson, théoricien en informatique au Massachusetts Institute of Technology.

Le but de l'informatique quantique est d'utiliser le comportement étrange des particules à l'échelle quantique pour effectuer des calculs qui semblent impossibles pour les ordinateurs ordinaires. Un ordinateur conventionnel stocke des bits d'informations dans des transistors, qui, à la manière des commutateurs, peuvent être dans l'un des deux états, dénotant 1 ou 0. Un ordinateur quantique stocke des qubits d'informations dans des particules subatomiques, des électrons ou des photons qui peuvent exister dans les états 1, 0 ou en superposition les deux, et ils peuvent également s'emmêler les uns avec les autres, à la suite de quoi l'état d'un qubit détermine l'état de l'autre.


Puce IBM à 3 qubits

La superposition et les subtilités forcent les qubits à se comporter très différemment des bits. Un circuit à deux bits d'un ordinateur classique peut être dans l'un des quatre états (0,0; 0,1; 1,0; 1,1). Une paire de qubits peut être une combinaison de tous. Avec une augmentation du nombre de qubits, le nombre d'états possibles, et avec lui le volume de l'état contenu dans le système, croît de façon exponentielle. Un ordinateur quantique avec plusieurs centaines de qubits pourrait résoudre les problèmes plus rapidement que les superordinateurs d'aujourd'hui.

Le seul problème est que personne n'a encore été en mesure de créer un ordinateur quantique dans lequel le nombre de qubits dépasse le nombre de doigts. Chris Lirakis, physicien du groupe des calculs quantiques supraconducteurs d'IBM Research, explique que pour empêcher le système de qubit enchevêtré de s'effondrer, il doit être isolé et refroidi à près de zéro. En même temps, les qubits doivent être espacés d'environ un centimètre, afin que les opérations avec l'un d'entre eux n'affectent pas les autres. Ces limitations rendent les milliers de systèmes qubit trop grands pour tenir dans des réfrigérateurs capables de maintenir la bonne température.

«Vous devez résoudre de nombreux problèmes d'ingénierie très graves pour rendre ce système évolutif», explique Lirakis. «Tous les problèmes sont tiraillés.»

Regev, qui a travaillé avec Pakert pour prouver la sécurité de la cryptographie sur les réseaux grâce aux principes quantiques, dit qu'il espère voir la construction d'ordinateurs quantiques au cours de sa vie. «Mais l'approche quantique a tellement influencé tout que même si personne ne pouvait jamais fabriquer un ordinateur quantique, je ne serais pas très contrarié», dit-il.

Avec la popularité croissante de la technologie quantique, on peut s'attendre à ce que de plus en plus de problèmes classiques soient résolus. «Ce sont ces résultats qui m'ont convaincu que même s'il n'y avait pas de mécanismes quantiques dans l'univers, les informaticiens finiraient par les inventer pour résoudre les problèmes.»

Source: https://habr.com/ru/post/fr398365/