L’informatique quantique suscite un engouement considérable, présentée comme un domaine révolutionnaire capable de transformer notre approche des problèmes complexes dans divers secteurs. Ces affirmations sont justifiées, car l’informatique quantique incarne une nouvelle manière de traiter l’information.
Des organisations à l’échelle mondiale investissent massivement dans le développement des technologies quantiques, séduites par leur aptitude à envisager de multiples possibilités et à proposer des solutions inédites à des défis ardus.
Qu’est-ce que l’informatique quantique ?
L’informatique quantique est un domaine de l’informatique qui repose sur les principes de la physique quantique, à savoir l’étude du comportement et des interactions des particules atomiques. Elle décrit le fonctionnement de la matière et de l’énergie à l’échelle atomique et subatomique.
Les ordinateurs quantiques utilisent des bits quantiques, ou qubits, qui peuvent exister simultanément dans plusieurs états. Cette particularité leur permet de résoudre des problèmes qui exigeraient des ordinateurs conventionnels un temps ou des ressources de calcul prohibitifs.
Comment fonctionne l’informatique quantique ?
L’informatique quantique utilise les qubits pour construire des ordinateurs quantiques, intégrant des systèmes quantiques tels que les photons et les électrons. Ceux-ci servent à réaliser des calculs complexes qui seraient inaccessibles aux ordinateurs classiques. En outre, l’informatique quantique utilise des portes logiques quantiques pour manipuler les qubits et effectuer des calculs.
Les portes quantiques, analogues aux portes logiques des ordinateurs classiques, agissent sur les bits quantiques. Les chercheurs les emploient pour créer et manipuler des superpositions et des qubits intriqués.
L’objectif est d’accroître les capacités de calcul et de résoudre des problèmes complexes que les ordinateurs classiques actuels ne peuvent pas traiter en raison de leur approche binaire et de leur existence limitée à deux états (0 et 1), alors que l’informatique quantique peut adopter les deux états simultanément.
Différences entre l’informatique quantique et l’informatique classique
Les différences entre l’informatique quantique et l’informatique classique résident dans leurs capacités et leurs modes de fonctionnement. L’informatique quantique s’appuie sur la théorie quantique.
L’informatique classique utilise des chiffres binaires, ou bits, qui peuvent prendre la valeur 0 ou 1. Les ordinateurs quantiques, eux, utilisent les qubits comme unité de données. L’informatique quantique peut prendre simultanément les deux valeurs (0 et 1), un phénomène appelé superposition, permettant aux ordinateurs quantiques d’adopter deux états en même temps.
En termes de puissance, l’informatique classique est moins performante que l’informatique quantique, car sa puissance augmente de manière proportionnelle au nombre de transistors disponibles. Pour l’informatique quantique, la puissance croît de manière exponentielle avec le nombre de qubits.
Contrairement à l’informatique classique, qui utilise des langages de programmation tels que Java, SQL, PHP, C#, C++ et Python, l’informatique quantique combine le code, les mathématiques, la physique et des algorithmes pour atteindre un objectif précis.
En raison de son architecture complexe, de sa fragilité et des coûts élevés de développement et de mise en œuvre, l’informatique quantique n’est pas conçue comme une machine polyvalente destinée au grand public, mais plutôt pour des objectifs et des cas d’utilisation spécifiques. Les ordinateurs classiques, quant à eux, sont largement répandus et facilement accessibles.
Les ordinateurs quantiques présentent des taux d’erreur plus élevés que les ordinateurs classiques et exigent des précautions supplémentaires, comme un maintien dans une chambre ultra-froide pour contrôler la température. Les ordinateurs classiques, à l’inverse, peuvent fonctionner à température ambiante.
En termes d’utilisation, l’informatique quantique est adaptée aux tâches complexes telles que la simulation, l’optimisation, l’apprentissage automatique et d’autres opérations gourmandes en ressources. L’informatique classique est plus adaptée aux tâches courantes telles que le traitement de texte, les calculs sur feuilles de calcul et d’autres tâches peu exigeantes en ressources.
Avantages de l’informatique quantique
Les avantages de l’informatique quantique sont considérables lorsqu’elle est utilisée à bon escient. Voici les principaux atouts.
- Vitesse : Ils peuvent traiter les données des milliers de fois plus rapidement que les ordinateurs conventionnels.
- Sécurité : son algorithme peut être utilisé pour améliorer le cryptage numérique et protéger l’infrastructure informatique d’une organisation.
- Capacité à résoudre des problèmes complexes : En 2019, Google a affirmé que son processeur Sycamore de 54 qubits avait effectué un calcul qui prendrait 10 000 ans au supercalculateur le plus rapide du monde pour être achevé, en 200 secondes.
- Amélioration de la détection des fraudes : les institutions financières peuvent utiliser l’informatique quantique pour concevoir de meilleurs simulateurs de négociation, créer des portefeuilles d’investissement performants et améliorer la détection des fraudes.
- Recherche : elle aide les scientifiques à développer des modèles et des approches plus efficaces pour résoudre les problèmes dans divers secteurs, comme la recherche pharmaceutique dans les soins de santé et la découverte de produits chimiques dans l’industrie manufacturière.
Caractéristiques de l’informatique quantique
Voici les principales caractéristiques de l’informatique quantique.
Superposition
La capacité des systèmes quantiques à exister simultanément dans de nombreux états est appelée superposition. Les ordinateurs classiques ne peuvent exister que dans un seul état à la fois (0 ou 1), ce qui signifie qu’ils n’ont pas de capacité de superposition.
Intrication
L’intrication se produit lorsque deux qubits sont liés de telle manière que l’état d’une particule affecte instantanément l’autre, même si elles sont éloignées de plusieurs kilomètres. Elle est souvent utilisée pour créer un réseau quantique, permettant aux ordinateurs quantiques de partager des informations.
Dans les systèmes quantiques, l’interférence est un effet secondaire de la superposition. C’est un phénomène ondulatoire qui se manifeste lorsque des particules subatomiques interagissent et s’influencent.
Elle peut être constructive (les ondes se renforcent, amplifiant la bonne réponse) ou destructive (elles s’annulent).
Décohérence
Les systèmes quantiques sont fragiles et sensibles à leur environnement. Les perturbations de leur environnement peuvent dégrader le comportement quantique des qubits, leur faisant perdre leurs capacités quantiques.
Par exemple, le bruit peut faire sortir les qubits de la superposition. De plus, même les changements de température peuvent affecter leurs performances. Il est donc nécessaire de les maintenir dans un environnement hautement contrôlé.
Limites et défis de l’informatique quantique
Bien que l’informatique quantique offre de nombreux avantages, elle présente également certains inconvénients qu’il convient de mentionner.
- Décohérence : Contrairement aux ordinateurs classiques, les ordinateurs quantiques sont sensibles au bruit. Une perturbation peut les faire sortir de la superposition avant qu’ils ne puissent terminer leurs tâches.
- Nécessité de spécialistes : En raison de sa complexité, elle nécessite un ensemble diversifié de spécialistes quantiques.
- Correction d’erreur quantique : Des erreurs sont susceptibles de se produire pendant les opérations de calcul, entraînant des résultats incertains. Un système quantique tolérant aux pannes est nécessaire pour résister aux interférences de l’environnement.
Applications et utilisations concrètes de l’informatique quantique
#1. Modélisation financière
Le marché financier est volatil et très imprévisible. Grâce à l’informatique quantique, les organisations financières peuvent simuler des systèmes financiers et utiliser la technologie pour modéliser les investissements en fonction des rendements attendus.
Elle peut également être utilisée pour l’optimisation de portefeuilles, la réduction et la gestion des risques, ainsi que la tarification des options. Les opérateurs à volume élevé peuvent tirer parti de l’informatique quantique pour prédire les marchés et analyser l’économie financière mondiale.
#2. Optimisation logistique
Les ordinateurs quantiques excellent dans la collecte de données en temps réel pour optimiser la logistique, l’inventaire et le transport de la chaîne d’approvisionnement. Les organisations doivent constamment calculer et recalculer les itinéraires optimaux pour la gestion du trafic, l’exploitation de la flotte, le contrôle du trafic aérien, le fret et la distribution. Ceci est réalisable avec l’informatique classique.
Mais pour les grandes organisations ayant des besoins complexes en matière de chaîne d’approvisionnement, ce processus peut devenir gourmand en ressources, et l’informatique quantique peut être une solution.
#3. De meilleures batteries
Alors que les véhicules électriques (VE) se généralisent, les fabricants exploitent la puissance de calcul quantique pour simuler le comportement des molécules et des matériaux, ainsi que pour comprendre les composés du lithium et la chimie des batteries afin d’optimiser la durée de vie des batteries.
Outre les véhicules électriques, l’informatique quantique trouve également des applications dans le stockage des énergies renouvelables et les appareils mobiles.
#4. Fabrication
L’informatique quantique est utilisée pour améliorer de nombreux aspects de la fabrication. Un avis d’expert publié par l’IBM Institute for Business Value a divisé les applications de l’informatique quantique dans la fabrication en quatre catégories.
Découverte :
- Chimie
- Science des matériaux
- Physique de la matière condensée
Conception :
- Analyse des différences finies
- Analyse structurale Hydro/aérodynamique
Contrôle :
- Optimisation
- Apprentissage automatique
- Classification
Fourniture :
- Chaîne d’approvisionnement
- Optimisation
- Modélisation des risques
Les entreprises qui adopteront l’informatique quantique dans ces domaines clés bénéficieront d’un avantage concurrentiel certain, car elle contribuera à réduire les coûts de fabrication et à accélérer la production.
#5. Développement de modèles climatiques
L’informatique quantique pourrait contribuer à résoudre des problèmes de durabilité tels que le changement climatique. Selon le rapport du Groupe d’experts intergouvernemental sur l’évolution du climat (GIEC), les émissions de gaz à effet de serre doivent être considérablement réduites avant 2025 pour éviter des catastrophes climatiques majeures. L’informatique quantique peut être utilisée pour réduire l’impact climatique.
La fabrication d’ammoniac contribue entre 1 et 2 % des émissions mondiales de dioxyde de carbone. L’informatique quantique peut aider à développer des énergies propres alternatives, telles que des batteries plus performantes pour les véhicules électriques, l’énergie solaire, etc., afin de faciliter le processus de décarbonisation de la planète. Elle peut également permettre d’améliorer les modèles de prévision climatique et météorologique, ainsi que la gestion du réseau.
#6. Industrie automobile
L’industrie automobile adopte rapidement la technologie de l’informatique quantique, comme en témoignent les partenariats entre les sociétés d’informatique quantique et les constructeurs automobiles, notamment D-Wave Systems et Volkswagen, Zapata Computing et Bosch, et IBM Quantum et Mercedes-Benz.
Les constructeurs d’équipement d’origine (OEM) cherchent à tirer parti de l’informatique quantique pour optimiser les itinéraires et améliorer la durabilité des matériaux.
#7. Développement d’avions
Les entreprises aérospatiales peuvent utiliser l’informatique quantique pour de nombreux processus, allant de l’optimisation des plans de vol à la modélisation et la simulation d’avions. Airbus, une société aérospatiale qui conçoit, fabrique et vend des avions commerciaux, a investi dans IonQ, Q-CTRL et QC Ware pour exploiter les technologies quantiques dans le développement de modèles d’avions complexes.
#8. Développement de médicaments
Les ordinateurs classiques sont actuellement utilisés pour exécuter des centaines de millions de simulations moléculaires, mais la taille des molécules qu’ils peuvent calculer est limitée. L’informatique quantique permet à la recherche et au développement de simuler de grandes molécules complexes pour améliorer la découverte de médicaments assistée par ordinateur (CADD).
McKinsey & Company a indiqué en 2021 que l’industrie pharmaceutique consacrait environ 15 % de son chiffre d’affaires à la R&D, ce qui représente plus de 20 % des dépenses totales de R&D dans tous les secteurs d’activité mondiaux.
Cet investissement aide en partie l’industrie pharmaceutique à trouver des moyens efficaces de développer des micromolécules et des macromolécules pour aider à soigner les maladies. Grâce à l’informatique quantique, les chercheurs peuvent échouer rapidement et accélérer le développement de médicaments avec une plus grande chance de succès.
#9. Apprentissage automatique
La capacité des ordinateurs quantiques à traiter des données massives et complexes en fait des outils adaptés à l’apprentissage automatique. L’apprentissage automatique quantique est un domaine d’étude qui intègre des algorithmes quantiques aux programmes d’apprentissage automatique.
Les algorithmes quantiques peuvent offrir une accélération polynomiale ou super-polynomiale (exponentielle), ce qui améliore la vitesse de calcul. Grâce à l’apprentissage automatique quantique, les professionnels des données peuvent développer des algorithmes plus rapides et plus avancés, résoudre des modèles de données complexes et faire progresser le développement d’applications de vision par ordinateur et d’apprentissage par renforcement.
Ressources pédagogiques : informatique quantique
Pour une étude plus approfondie, voici quelques ressources recommandées.
#1. Danse avec les Qubits
Écrit par Robert S. Sutor, ce livre explique comment fonctionne l’informatique quantique et comment elle s’applique à l’informatique scientifique et à l’IA. « Dancing with Qubits » explore les différences entre l’informatique classique et l’informatique quantique et décrit ses applications dans divers secteurs d’activité.
Les lecteurs découvriront également des concepts tels que la superposition, l’intrication et l’interférence, ainsi que les circuits et les algorithmes. Cette ressource permet d’acquérir les bases et les éléments essentiels de l’informatique quantique.
#2. Informatique quantique : une approche appliquée
Écrit par le PDG de SandboxAQ (Jack D. Hidary), une entreprise de technologie quantique, ce document combine la théorie et la pratique de l’informatique quantique, avec notamment du code pratique.
Le livre comporte trois parties : la première partie traite des bases de l’informatique quantique et des circuits quantiques, la deuxième partie explique les algorithmes d’informatique quantique et fournit du code sur les méthodes informatiques quantiques actuelles, et la troisième partie aborde les aspects mathématiques de l’informatique quantique.
#3. L’informatique quantique pour tous
Les débutants à la recherche d’un support complet trouveront cette ressource utile. Elle couvre les bases de l’informatique quantique et explique ses éléments clés, tels que les qubits, l’intrication et la téléportation quantique.
L’auteur de ce livre, Chris Bernhardt, simplifie les mathématiques sous-jacentes à l’informatique quantique et explique également comment les ordinateurs quantiques sont construits, ce qui permet à ceux qui découvrent les ordinateurs quantiques de comprendre facilement le processus de développement des systèmes.
Conclusion
Des entreprises comme Google, IBM et Microsoft sont à la pointe de l’innovation des solutions d’informatique quantique, et les universités ne sont pas en reste. La pénurie de spécialistes de l’informatique quantique contribue à la lenteur de son développement, de plus le coût de construction d’un ordinateur quantique est élevé et peu d’organisations ont les ressources nécessaires pour en créer un.
Bien que l’informatique quantique soit très prometteuse, elle n’en est qu’à ses débuts. Il faudra quelques années pour qu’elle réalise tout son potentiel et se démocratise comme les ordinateurs classiques.
Vous pouvez également consulter notre article sur le Fog Computing.