Il y a beaucoup de battage médiatique autour de l’informatique quantique – sur le fait qu’il s’agit d’un domaine passionnant et qu’il révolutionne la façon dont nous résolvons des problèmes complexes dans diverses industries. Les deux affirmations sont vraies car l’informatique quantique représente une nouvelle façon de traiter l’information.
Les organisations du monde entier consacrent des ressources importantes au développement des technologies d’informatique quantique en raison de leur capacité à envisager de nombreuses possibilités et à proposer des solutions potentielles à des problèmes complexes.
Table des matières
Qu’est-ce que l’informatique quantique ?
L’informatique quantique est un domaine informatique basé sur le principe de la physique quantique (l’étude de la façon dont les particules atomiques existent et interagissent les unes avec les autres). Il explique le comportement de la matière et de l’énergie aux niveaux atomique et subatomique.
Les ordinateurs quantiques utilisent des bits quantiques ou qubits (prononcés cue-bits), qui peuvent exister simultanément dans plusieurs états. Cette propriété permet aux ordinateurs quantiques de résoudre des problèmes qui prendraient aux ordinateurs conventionnels un temps ou des ressources de calcul peu pratiques.
Comment fonctionne l’informatique quantique ?
L’informatique quantique utilise des qubits pour développer des ordinateurs quantiques comprenant des systèmes quantiques comme les photons et les électrons. Ils sont souvent utilisés pour effectuer des calculs qui seraient normalement peu pratiques pour les ordinateurs classiques. De plus, l’informatique quantique utilise des portes logiques quantiques pour manipuler les qubits et effectuer des calculs.
Les portes quantiques sont analogues aux portes logiques utilisées dans les ordinateurs classiques mais fonctionnent sur des bits quantiques – les chercheurs les utilisent pour créer et manipuler des superpositions et des qubits intriqués.
Il s’efforce d’améliorer les capacités de calcul et de résoudre les problèmes complexes que les ordinateurs classiques d’aujourd’hui ne peuvent pas résoudre en raison de leur approche binaire et de leur existence limitée dans deux états – 0 et 1, alors que l’informatique quantique peut assumer les deux états simultanément.
Différence entre l’informatique quantique et l’informatique classique
Les différences entre l’informatique quantique et l’informatique classique résident dans leurs capacités de calcul et leur fonctionnement. Alors que l’informatique quantique est basée sur la théorie quantique.
L’informatique classique est basée sur des chiffres binaires ou des bits, qui peuvent prendre la valeur de 0 ou de 1. Les ordinateurs quantiques utilisent les qubits comme unité de données. L’informatique quantique pourrait prendre les deux valeurs (0 et 1) simultanément – cet acte est connu sous le nom de superposition. Une propriété qui permet aux ordinateurs quantiques de prendre deux états à la fois.
En ce qui concerne la puissance, l’informatique classique a une puissance de calcul moindre que l’informatique quantique car sa puissance augmente en fonction de la relation 1: 1 avec les transistors disponibles. Pour l’informatique quantique, la puissance augmente considérablement en fonction du nombre de qubits.
Contrairement à l’informatique classique, qui peut être implémentée avec des codes écrits dans des langages de programmation tels que Java, SQL, PHP, C#, C++ et Python, entre autres, l’informatique quantique combine code, mathématiques, physique et algorithmes pour servir son objectif spécifique.
En raison de son architecture complexe, de sa fragilité et de ses coûts de développement et de mise en œuvre élevés, l’informatique quantique n’est pas créée comme une machine à usage général pour un usage public, elle est conçue pour un objectif et un cas d’utilisation spécifiques. D’autre part, les ordinateurs classiques sont répandus et facilement accessibles.
Les ordinateurs quantiques ont des taux d’erreur plus élevés que l’informatique classique et nécessitent des précautions supplémentaires, comme être conservés dans une chambre ultra-froide pour réguler la chaleur. En revanche, les ordinateurs classiques peuvent fonctionner à température ambiante.
En termes de convivialité, l’informatique quantique convient aux tâches complexes telles que la simulation, l’optimisation, l’apprentissage automatique et d’autres opérations gourmandes en ressources. L’informatique classique convient à des tâches telles que le traitement de texte, les calculs de feuilles de calcul et d’autres tâches ne nécessitant pas beaucoup de ressources.
Avantages de l’informatique quantique
Les avantages de l’informatique quantique sont énormes lorsqu’ils sont utilisés correctement. Nous avons analysé les principaux mérites ci-dessous.
- Vitesse : Ils peuvent traiter les données mille 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 Sycamore – un processeur de 54 qubits – effectuait un calcul qui prendrait 10 000 ans au supercalculateur le plus rapide du monde pour le terminer en 200 secondes.
- Améliorer la détection des fraudes : les institutions financières peuvent utiliser l’informatique quantique pour créer de meilleurs simulateurs de négociation, concevoir des portefeuilles d’investissement efficaces et améliorer la détection des fraudes.
- Recherche : il aide les scientifiques à développer de meilleurs modèles et approches pour résoudre les problèmes dans diverses industries, telles que la recherche sur les médicaments dans les soins de santé et la découverte de produits chimiques dans la fabrication.
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 connue sous le nom de superposition. Les ordinateurs classiques ne peuvent exister que dans un état à la fois (0 ou 1), ce qui signifie qu’ils n’ont pas de capacité de superposition.
Enchevêtrement
L’intrication se produit lorsque deux qubits sont liés entre eux et que l’état d’une particule affecte l’autre, même s’ils sont à des kilomètres l’un de l’autre. Il est souvent utilisé pour créer un réseau quantique, permettant aux ordinateurs quantiques de partager des informations.
Interférence Dans les systèmes quantiques, l’interférence est un sous-produit de la superposition. C’est un phénomène ondulatoire qui se produit lorsque des particules subatomiques interagissent et influencent.
Elle peut être soit constructive (lorsque les ondes se renforcent ou amplifient la bonne réponse) soit destructrice (lorsqu’elles s’annulent).
Décohérence
Les systèmes quantiques sont fragiles et sensibles à leur environnement ; les interférences de leurs environnements peuvent entraîner la dégradation du comportement quantique des qubits, leur faisant perdre leurs capacités quantiques.
Par exemple, le bruit peut faire tomber les qubits de la superposition. De plus, même les changements de température peuvent avoir un impact sur ses performances. D’où la nécessité de le maintenir dans un environnement hautement réglementé et 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 le faire tomber de la superposition avant qu’il ne puisse terminer ses tâches.
- Nécessite un spécialiste : en raison de sa complexité, il nécessite un bassin diversifié de spécialistes quantiques.
- Correction d’erreur quantique : des erreurs sont susceptibles de se produire pendant les opérations de calcul, entraînant des résultats douteux. Un système quantique tolérant aux pannes est nécessaire pour résister aux interférences de l’environnement.
Applications et utilisations réelles de l’informatique quantique
#1. Modélisation financière
Le marché financier est volatil et hautement 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.
Il peut également être utilisé dans les aspects d’optimisation de portefeuille, de réduction et de gestion des risques, ainsi que dans la tarification des options. Ceux qui effectuent des transactions 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 lorsqu’il s’agit de collecter des données en temps réel pour optimiser la logistique, l’inventaire et le transport de la chaîne d’approvisionnement. Les organisations doivent calculer et recalculer en permanence les itinéraires optimaux de gestion du trafic, d’exploitation de la flotte, de contrôle du trafic aérien, de fret et de distribution – c’est faisable 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 en mesure de sauver la situation.
#3. De meilleures piles
Alors que les véhicules électriques (VE) deviennent monnaie courante dans notre société, les fabricants utilisent la capacité de calcul quantique pour simuler le comportement des molécules et des matériaux et 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 a 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 cas d’utilisation de l’informatique quantique dans la fabrication en quatre catégories.
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- Chimie
- La science des matériaux
- La physique de la matière condensée
Conception
- Analyse des différences finies
- Analyse structurale Hydro/aérodynamique
Contrôle
- Optimisation
- Apprentissage automatique
- Classification
Fournir
- Chaîne d’approvisionnement
- optimisation
- Modélisation des risques
Ceux qui adopteront l’informatique quantique dans ces domaines clés gagneront un avantage décisif, car cela contribuera à réduire les coûts de fabrication et à augmenter la vitesse de production.
#5. Développement de modèles climatiques
L’informatique quantique pourrait aider à résoudre des problèmes de durabilité persistants comme 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 de meilleures batteries pour les véhicules électriques, l’énergie solaire, etc., afin de faciliter le processus de décarbonisation de la terre. Il peut également faciliter l’amélioration des 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 même IBM Quantum et Mercedes-Benz.
Les fabricants 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 tirer parti de l’informatique quantique pour de nombreux processus, de l’optimisation des plans de vol à la modélisation et à la numérisation des avions. Airbus, une société aérospatiale qui conçoit, fabrique et vend des avions commerciaux, a investi dans IonQ, Q-CTRL et QC Ware pour tirer parti des 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 il y a une limite à la taille des molécules qu’ils peuvent calculer. 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 rapporté en 2021 que l’industrie pharmaceutique consacre environ 15 % de ses ventes à la R&D, ce qui représente plus de 20 % des dépenses totales de R&D dans toutes les industries du monde.
Cet investissement aide en partie l’industrie pharmaceutique à trouver des moyens efficaces de développer des micromolécules et des macromolécules pour aider à guérir les maladies et les maladies. Avec 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 volumineuses et complexes en fait un bon candidat pour l’apprentissage automatique. L’apprentissage automatique quantique est un domaine d’étude qui intègre des algorithmes quantiques à des programmes d’apprentissage automatique.
Les algorithmes quantiques peuvent avoir une accélération polynomiale ou super-polynomiale (exponentielle), ce qui améliore la vitesse de calcul. Grâce à l’apprentissage automatique quantique, les praticiens 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 un apprentissage plus approfondi, nous recommandons les ressources suivantes.
#1. Danse avec les Qubits
Écrit par Robert S. Sutor, ce livre explique comment fonctionne l’informatique quantique et s’applique à l’informatique scientifique et à l’IA. Dancing with Qubits couvre les différences entre l’informatique classique et quantique et décrit ses cas d’utilisation dans diverses industries.
Les lecteurs apprendront également des concepts tels que la superposition, l’intrication et l’interférence, ainsi que des circuits et des algorithmes. Cette ressource vous apprendra 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 matériel combine la théorie et la pratique de l’informatique quantique, y compris le code pratique.
Le livre comporte trois parties : la première partie couvre les 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 couvre les aspects mathématiques de l’informatique quantique.
#3. L’informatique quantique pour tous
Les débutants à la recherche de matériel complet trouveront cette ressource bénéfique. Il couvre les bases de l’informatique quantique et explique ses composants clés, tels que les qubits, l’intrication et la téléportation quantique.
L’auteur de ce livre, Chris Bernhardt, simplifie les mathématiques derrière 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 – les universités ne sont pas non plus en reste. La pénurie de spécialistes de l’informatique quantique contribue à sa lenteur, 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 tienne de nombreuses promesses, elle n’en est pas encore là. Il faudra quelques années pour réaliser tout son potentiel et se banaliser comme les ordinateurs classiques.
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