Quand l'ordinateur quantique sera-t-il inventé ? Ordinateur quantique - le principe de fonctionnement. Qui a inventé l'ordinateur quantique

Candidat en sciences physiques et mathématiques L. FEDICHKIN (Institut physico-technologique de l'Académie russe des sciences.

En utilisant les lois de la mécanique quantique, vous pouvez créer un type fondamentalement nouveau des ordinateurs, ce qui permettra de résoudre certains problèmes inaccessibles même aux supercalculateurs modernes les plus puissants. La vitesse de nombreux calculs complexes augmentera considérablement ; les messages envoyés sur les lignes de communication quantiques ne peuvent être ni interceptés ni copiés. Aujourd'hui, des prototypes de ces ordinateurs quantiques du futur ont déjà été créés.

Mathématicien et physicien américain d'origine hongroise Johann von Neumann (1903-1957).

Physicien théoricien américain Richard Phillips Feynman (1918-1988).

Mathématicien américain Peter Shor, spécialiste du domaine de l'informatique quantique. Il a proposé un algorithme quantique pour la factorisation rapide de grands nombres.

Bit quantique ou qubit. Les états et correspondent, par exemple, au sens du spin du noyau atomique vers le haut ou vers le bas.

Un registre quantique est une chaîne de bits quantiques. Les portes quantiques à un ou deux qubits effectuent des opérations logiques sur les qubits.

INTRODUCTION, OU UN PEU SUR LA PROTECTION DES INFORMATIONS

Selon vous, quel est le programme le plus licencié au monde ? Je ne me risquerai pas à insister sur le fait que je connais la bonne réponse, mais j'en connais une mauvaise : c'est ne pas n'importe laquelle des versions Microsoft Windows. Le système d'exploitation le plus courant devance un modeste produit de RSA Data Security, Inc. - un programme qui implémente un algorithme de cryptage avec Clé publique RSA, du nom de ses auteurs - les mathématiciens américains Rivest, Shamir et Adelman.

Le fait est que l'algorithme RSA est intégré à la plupart des systèmes d'exploitation vendus, ainsi qu'à de nombreuses autres applications utilisées dans divers appareils- des cartes à puce aux téléphones portables. En particulier, il est également disponible dans Microsoft Windows, ce qui signifie qu'il est évidemment plus répandu que ce populaire système opérateur. Pour détecter des traces de RSA, par exemple, dans un navigateur Internet Explorer(un programme permettant de visualiser des pages www sur Internet), ouvrez simplement le menu "Aide" (Aide), entrez dans le sous-menu "À propos d'Internet Explorer" et affichez une liste des produits tiers utilisés. Un autre navigateur courant, Netscape Navigator, utilise également l'algorithme RSA. En général, il est difficile de trouver une société de haute technologie bien connue qui n'achèterait pas une licence pour ce programme. À ce jour, RSA Data Security, Inc. a déjà vendu plus de 450 millions (!) de licences.

Pourquoi l'algorithme RSA est-il si important ?

Imaginez que vous ayez besoin d'échanger rapidement un message avec une personne éloignée. Grâce au développement d'Internet, un tel échange est devenu accessible aujourd'hui à la plupart des gens - il vous suffit d'avoir un ordinateur avec un modem ou carte réseau. Naturellement, lors de l'échange d'informations sur le réseau, vous souhaitez garder vos messages secrets vis-à-vis des étrangers. Cependant, il est impossible de protéger complètement une ligne de communication étendue contre les écoutes clandestines. Cela signifie que lors de l'envoi de messages, ils doivent être chiffrés, et lorsqu'ils sont reçus, ils doivent être déchiffrés. Mais comment vous et votre interlocuteur vous entendez-vous sur la clé que vous allez utiliser ? Si vous envoyez la clé au chiffrement le long de la même ligne, un attaquant qui écoute peut facilement l'intercepter. Vous pouvez, bien sûr, envoyer la clé sur une autre ligne de communication, par exemple, l'envoyer par télégramme. Mais une telle méthode est généralement peu pratique et, de plus, pas toujours fiable : une autre ligne peut également être exploitée. C'est bien si vous et votre destinataire saviez à l'avance que vous alliez échanger des cryptages, et donc vous vous donniez les clés à l'avance. Mais que se passe-t-il si, par exemple, vous souhaitez envoyer une offre commerciale confidentielle à un partenaire commercial potentiel ou acheter un produit que vous aimez dans une nouvelle boutique en ligne en utilisant une carte de crédit ?

Dans les années 1970, des systèmes de cryptage ont été proposés pour résoudre ce problème, utilisant deux types de clés pour le même message : ouverte (ne nécessitant pas de stockage secret) et fermée (strictement secrète). La clé publique est utilisée pour chiffrer le message et la clé privée est utilisée pour le déchiffrer. Vous envoyez à votre correspondant la clé publique, et il crypte son message avec. Tout ce qu'un attaquant qui a intercepté la clé publique peut faire, c'est chiffrer sa lettre avec et l'envoyer à quelqu'un. Mais il ne pourra pas déchiffrer la correspondance. Vous, connaissant la clé privée (elle est initialement stockée chez vous), lirez facilement le message qui vous est adressé. Pour chiffrer les messages de réponse, vous utiliserez la clé publique envoyée par votre correspondant (et il garde pour lui la clé privée correspondante).

Un tel schéma cryptographique est utilisé dans l'algorithme RSA - la méthode de chiffrement à clé publique la plus courante. De plus, l'hypothèse importante suivante est utilisée pour créer une paire de clés publique et privée. S'il y en a deux grands (nécessitant plus d'une centaine de chiffres décimaux pour leur saisie) Facile nombres M et K, alors il ne sera pas difficile de trouver leur produit N=MK (il n'est même pas nécessaire d'avoir un ordinateur pour cela : une personne assez précise et patiente peut multiplier de tels nombres avec un stylo et du papier). Mais pour résoudre le problème inverse, c'est-à-dire savoir grand nombre N, décomposez-le en facteurs premiers M et K (le soi-disant problème de factorisation) - presque impossible! C'est à ce problème qu'un attaquant qui déciderait de "cracker" l'algorithme RSA et de lire les informations chiffrées avec lui sera confronté : pour connaître la clé privée, connaissant la clé publique, il faudra calculer M ou K.

Pour tester la validité de l'hypothèse sur la complexité pratique de la factorisation de grands nombres, des concours spéciaux ont été et sont toujours organisés. L'enregistrement est la décomposition de seulement 155 chiffres (512 bits). Les calculs ont été effectués en parallèle sur de nombreux ordinateurs pendant sept mois en 1999. Si cette tâche était effectuée sur un ordinateur moderne ordinateur personnel, il faudrait environ 35 ans de temps informatique ! Les calculs montrent qu'en utilisant même un millier de postes de travail modernes et le meilleur algorithme de calcul connu aujourd'hui, un nombre à 250 chiffres peut être factorisé en environ 800 000 ans et un nombre à 1000 chiffres en 10 25 (!) ans. (À titre de comparaison, l'âge de l'Univers est d'environ 10 10 ans.)

Par conséquent, les algorithmes cryptographiques comme RSA, fonctionnant avec des clés suffisamment longues, étaient considérés comme absolument fiables et étaient utilisés dans de nombreuses applications. Et tout allait bien jusque-là ... jusqu'à l'apparition des ordinateurs quantiques.

Il s'avère qu'en utilisant les lois de la mécanique quantique, on peut construire des ordinateurs pour lesquels le problème de factorisation (et bien d'autres !) n'est pas difficile. On estime qu'un ordinateur quantique avec seulement environ 10 000 bits quantiques de mémoire peut factoriser un nombre à 1 000 chiffres en facteurs premiers en quelques heures seulement !

COMMENT TOUT A COMMENCÉ?

Ce n'est qu'au milieu des années 1990 que la théorie des ordinateurs quantiques et de l'informatique quantique s'est imposée comme un nouvelle zone la science. Comme c'est souvent le cas avec les grandes idées, il est difficile de distinguer un pionnier. Apparemment, le mathématicien hongrois I. von Neumann a été le premier à attirer l'attention sur la possibilité de développer la logique quantique. Cependant, à cette époque, non seulement les ordinateurs quantiques, mais aussi les ordinateurs classiques ordinaires n'avaient pas encore été créés. Et avec l'avènement de ce dernier, les principaux efforts des scientifiques se sont avérés être principalement dirigés vers la recherche et le développement de nouveaux éléments pour eux (transistors, puis circuits intégrés), et non vers la création de dispositifs informatiques fondamentalement différents.

Dans les années 1960, le physicien américain R. Landauer, qui travaillait chez IBM Corporation, a tenté d'attirer l'attention du monde scientifique sur le fait que les calculs sont toujours une sorte de processus physique, ce qui signifie qu'il est impossible de comprendre les limites de nos capacités de calcul sans préciser de quelle implémentation physique il s'agit. Malheureusement, à cette époque, l'opinion dominante parmi les scientifiques était que le calcul était une procédure logique abstraite qui devait être étudiée par des mathématiciens et non par des physiciens.

Alors que les ordinateurs proliféraient, les scientifiques impliqués dans les objets quantiques sont arrivés à la conclusion qu'il était pratiquement impossible de calculer directement l'état d'un système en évolution composé de seulement quelques dizaines de particules en interaction, comme une molécule de méthane (CH 4). Cela s'explique par le fait que pour descriptif complet système complexe, il est nécessaire de conserver dans la mémoire de l'ordinateur un nombre exponentiellement grand (en termes de nombre de particules) de variables, les amplitudes dites quantiques. Une situation paradoxale s'est présentée : connaissant l'équation d'évolution, connaissant avec suffisamment de précision tous les potentiels d'interaction des particules entre elles et l'état initial du système, il est pratiquement impossible de calculer son avenir, même si le système n'est constitué que de 30 électrons dans un puits de potentiel, et un supercalculateur avec RAM, dont le nombre de bits est égal au nombre d'atomes dans la région visible de l'Univers (!). Et en même temps, pour étudier la dynamique d'un tel système, on peut simplement mettre en place une expérience avec 30 électrons, en les plaçant dans un potentiel et un état initial donnés. Ceci, en particulier, a attiré l'attention du mathématicien russe Yu. I. Manin, qui en 1980 a souligné la nécessité de développer une théorie des dispositifs informatiques quantiques. Dans les années 1980, le même problème a été étudié par le physicien américain P. Benev, qui a clairement montré qu'un système quantique peut effectuer des calculs, ainsi que par le scientifique anglais D. Deutsch, qui a théoriquement développé un ordinateur quantique universel qui surpasse son homologue classique. .

Le lauréat du prix Nobel de physique R. Feynman, bien connu des lecteurs réguliers de Science et Vie, a beaucoup attiré l'attention sur le problème du développement des ordinateurs quantiques. Grâce à son autorité, le nombre de spécialistes qui se sont intéressés à l'informatique quantique a été multiplié par plusieurs.

Pourtant, pendant longtemps, il est resté difficile de savoir si la puissance de calcul hypothétique pourrait être utilisée ordinateur quantique pour accélérer la solution des problèmes pratiques. Mais en 1994, P. Shor, un mathématicien américain de Lucent Technologies (USA), a stupéfié le monde scientifique en proposant un algorithme quantique permettant une factorisation rapide des grands nombres (l'importance de ce problème a déjà été évoquée dans l'introduction). Comparé au meilleur des méthodes classiques connues aujourd'hui, l'algorithme quantique de Shor donne une accélération multiple des calculs, et plus le nombre factorisable est long, plus le gain en vitesse est important. L'algorithme de factorisation rapide présente un grand intérêt pratique pour divers services de renseignement qui ont accumulé des banques de messages non déchiffrés.

En 1996, le collègue de Shor chez Lucent Technologies, L. Grover, a proposé un algorithme quantique recherche rapide dans une base de données non ordonnée. (Un exemple d'une telle base de données est annuaire, dans lequel les noms des abonnés ne sont pas classés par ordre alphabétique, mais arbitrairement.) La tâche de trouver, de choisir l'élément optimal parmi de nombreuses options est très courante dans les domaines économique, militaire, tâches d'ingénierie, dans jeux d'ordinateur. L'algorithme de Grover permet non seulement d'accélérer le processus de recherche, mais également de doubler approximativement le nombre de paramètres pris en compte lors du choix de l'optimum.

La véritable création d'ordinateurs quantiques a été entravée, essentiellement, par le seul problème sérieux - les erreurs ou les interférences. Le fait est que le même niveau d'interférence gâche le processus d'informatique quantique beaucoup plus intensivement que les processus classiques. Des moyens de résoudre ce problème ont été décrits en 1995 par P. Shor, qui a développé un schéma pour coder les états quantiques et corriger les erreurs qu'ils contiennent. Malheureusement, le sujet de la correction d'erreurs dans les ordinateurs quantiques est aussi important que difficile à aborder dans cet article.

DISPOSITIF D'UN ORDINATEUR QUANTIQUE

Avant de décrire le fonctionnement d'un ordinateur quantique, rappelons les principales caractéristiques des systèmes quantiques (voir aussi "Science et Vie" n°8, 1998 ; n°12, 2000).

Pour comprendre les lois du monde quantique, il ne faut pas se fier directement à l'expérience quotidienne. De manière habituelle (au sens courant), les particules quantiques ne se comportent que si nous "regardons" constamment derrière elles, ou, plus strictement parlant, mesurons constamment dans quel état elles se trouvent. Mais dès que nous nous " détournons " (arrêtons d'observer), les particules quantiques passent immédiatement d'un état complètement défini à plusieurs hypostases différentes à la fois. C'est-à-dire qu'un électron (ou tout autre objet quantique) sera partiellement à un point, partiellement à un autre, partiellement à un troisième, etc. Cela ne signifie pas qu'il est divisé en segments, comme une orange. Il serait alors possible d'isoler de manière fiable une partie de l'électron et de mesurer sa charge ou sa masse. Mais l'expérience montre qu'après une mesure, un électron s'avère toujours « sain et sauf » en un seul point, alors qu'avant il avait le temps de passer presque partout en même temps. Cet état d'un électron, lorsqu'il est situé en plusieurs points de l'espace à la fois, est appelé superposition d'états quantiques et sont généralement décrites par la fonction d'onde introduite en 1926 par le physicien allemand E. Schrödinger. La valeur absolue de la fonction d'onde en tout point, au carré, détermine la probabilité de trouver une particule en ce point dans ce moment. Après avoir mesuré la position d'une particule, sa fonction d'onde, pour ainsi dire, se contracte (s'effondre) jusqu'au point où la particule a été détectée, puis recommence à se propager. La propriété des particules quantiques d'être dans plusieurs états en même temps, appelée parallélisme quantique, a été utilisé avec succès en informatique quantique.

bit quantique

L'unité de base d'un ordinateur quantique est un bit quantique, ou, pour faire court, qubit(q-bits). Il s'agit d'une particule quantique qui a deux états de base, qui sont notés 0 et 1, ou, comme il est d'usage en mécanique quantique, et. Deux valeurs d'un qubit peuvent correspondre, par exemple, aux états fondamental et excité d'un atome, aux sens haut et bas du spin du noyau atomique, au sens du courant dans un anneau supraconducteur, à deux positions possibles de un électron dans un semi-conducteur, etc.

registre quantique

Le registre quantique est agencé presque de la même manière que le registre classique. Il s'agit d'une chaîne de bits quantiques sur laquelle des opérations logiques à un et deux bits peuvent être effectuées (similaire à l'utilisation des opérations NOT, 2AND-NOT, etc. dans un registre classique).

Les états de base d'un registre quantique formé de L qubits comprennent, tout comme dans le classique, toutes les séquences possibles de zéros et de uns de longueur L. Au total, il peut y avoir 2 L combinaisons différentes. Ils peuvent être considérés comme un enregistrement de nombres sous forme binaire de 0 à 2 L -1 et notés. Cependant, ces états de base n'épuisent pas toutes les valeurs possibles du registre quantique (contrairement au registre classique), car il existe également des états de superposition définis par des amplitudes complexes associées à la condition de normalisation. La plupart des valeurs possibles du registre quantique (à l'exception des valeurs de base) n'ont tout simplement pas d'analogue classique. Les états du registre classique ne sont qu'une ombre pitoyable de toute la richesse des états d'un ordinateur quantique.

Imaginez que le registre est effectué influence externe, par exemple, des impulsions électriques sont appliquées à une partie de l'espace ou des faisceaux laser sont dirigés. S'il s'agit d'un registre classique, une impulsion, qui peut être considérée comme une opération de calcul, va changer L variables. S'il s'agit d'un registre quantique, alors la même impulsion peut simultanément se transformer en variables. Ainsi, un registre quantique, en principe, est capable de traiter des informations plusieurs fois plus rapidement que son homologue classique. Cela montre immédiatement que les petits registres quantiques (L<20) могут служить лишь для демонстрации отдельных узлов и принципов работы квантового компьютера, но не принесут большой практической пользы, так как не сумеют обогнать современные ЭВМ, а стоить будут заведомо дороже. В действительности квантовое ускорение обычно значительно меньше, чем приведенная грубая оценка сверху (это связано со сложностью получения большого количества амплитуд и считывания результата), поэтому практически полезный квантовый компьютер должен содержать тысячи кубитов. Но, с другой стороны, понятно, что для достижения действительного ускорения вычислений нет необходимости собирать миллионы квантовых битов. Компьютер с памятью, измеряемой всего лишь в килокубитах, будет в некоторых задачах несоизмеримо быстрее, чем классический суперкомпьютер с терабайтами памяти.

Cependant, il convient de noter qu'il existe une classe de problèmes pour lesquels les algorithmes quantiques ne fournissent pas d'accélération significative par rapport aux algorithmes classiques. L'un des premiers à le montrer a été le mathématicien russe Yu. Ozhigov, qui a construit un certain nombre d'exemples d'algorithmes qui ne sont fondamentalement pas accélérés sur un ordinateur quantique par un seul cycle d'horloge.

Néanmoins, il ne fait aucun doute que les ordinateurs fonctionnant selon les lois de la mécanique quantique constituent une étape nouvelle et décisive dans l'évolution des systèmes informatiques. Il ne reste plus qu'à les construire.

LES ORDINATEURS QUANTIQUES AUJOURD'HUI

Des prototypes d'ordinateurs quantiques existent déjà aujourd'hui. Certes, jusqu'à présent, seuls de petits registres, constitués de seulement quelques bits quantiques, ont été assemblés expérimentalement. Par exemple, récemment, un groupe dirigé par le physicien américain I. Chang (IBM) a annoncé l'assemblage d'un ordinateur quantique 5 bits. Sans aucun doute, c'est un grand succès. Malheureusement, les systèmes quantiques existants ne sont pas encore capables de fournir des calculs fiables, car ils sont soit insuffisamment contrôlables, soit très sensibles au bruit. Cependant, il n'y a aucune interdiction physique de construire un ordinateur quantique efficace, il suffit de surmonter les difficultés technologiques.

Il existe plusieurs idées et propositions sur la façon de fabriquer des bits quantiques fiables et facilement gérables.

I. Chang développe l'idée d'utiliser les spins des noyaux de certaines molécules organiques comme qubits.

Le chercheur russe M. V. Feigelman, qui travaille à l'Institut de physique théorique. L. D. Landau, de l'Académie russe des sciences, propose d'assembler des registres quantiques à partir d'anneaux supraconducteurs miniatures. Chaque anneau joue le rôle d'un qubit, et les états 0 et 1 correspondent au sens du courant électrique dans l'anneau - dans le sens des aiguilles d'une montre et dans le sens inverse des aiguilles d'une montre. De tels qubits peuvent être commutés par un champ magnétique.

À l'Institut de physique et de technologie de l'Académie des sciences de Russie, un groupe dirigé par l'académicien K. A. Valiev a proposé deux options pour placer des qubits dans des structures semi-conductrices. Dans le premier cas, le rôle d'un qubit est joué par un électron dans un système de deux puits de potentiel créé par une tension appliquée à des mini-électrodes à la surface du semi-conducteur. Les états 0 et 1 sont les positions de l'électron dans l'un de ces puits. Le qubit est commuté en changeant la tension sur l'une des électrodes. Dans une autre version, le qubit est le noyau d'un atome de phosphore intégré à un certain point dans le semi-conducteur. États 0 et 1 - la direction du spin du noyau le long ou contre le champ magnétique externe. Le contrôle est effectué en utilisant l'action conjointe d'impulsions magnétiques de fréquence de résonance et d'impulsions de tension.

Ainsi, la recherche est activement menée et on peut supposer que dans un avenir très proche - dans dix ans - un ordinateur quantique efficace sera créé.

UN REGARD VERS L'AVENIR

Ainsi, il est très possible qu'à l'avenir les ordinateurs quantiques soient fabriqués à l'aide des méthodes traditionnelles de la technologie microélectronique et contiennent de nombreuses électrodes de commande, ressemblant à un microprocesseur moderne. Afin de réduire le niveau de bruit, critique pour le fonctionnement normal d'un ordinateur quantique, les premiers modèles devront très probablement être refroidis à l'hélium liquide. Il est probable que les premiers ordinateurs quantiques seront des appareils encombrants et coûteux qui ne tiennent pas sur un bureau et sont occupés par une grande équipe de programmeurs système et de techniciens en matériel en blouse blanche. Dans un premier temps, seules les structures étatiques y auront accès, puis les riches organisations commerciales. Mais l'ère des ordinateurs conventionnels a commencé à peu près de la même manière.

Et qu'adviendra-t-il des ordinateurs classiques ? Vont-ils mourir ? À peine. Les ordinateurs classiques et quantiques ont leurs propres applications. Bien que, apparemment, le ratio sur le marché continue de se déplacer progressivement vers ce dernier.

L'introduction des ordinateurs quantiques ne conduira pas à la solution de problèmes classiques fondamentalement insolubles, mais ne fera qu'accélérer certains calculs. De plus, la communication quantique deviendra possible - le transfert de qubits à distance, ce qui conduira à l'émergence d'une sorte d'Internet quantique. La communication quantique fournira une connexion protégée (par les lois de la mécanique quantique) contre les écoutes clandestines de tout le monde les uns avec les autres. Vos informations stockées dans des bases de données quantiques seront mieux protégées contre la copie qu'elles ne le sont actuellement. Les entreprises produisant des programmes pour ordinateurs quantiques pourront les protéger de toute copie, y compris illégale.

Pour une compréhension plus approfondie de ce sujet, vous pouvez lire l'article de synthèse de E. Riffel, V. Polak "Fundamentals of Quantum Computing", publié dans la revue russe "Quantum Computers and Quantum Computing" (n° 1, 2000). (Soit dit en passant, c'est la première et jusqu'à présent la seule revue au monde consacrée à l'informatique quantique. Des informations supplémentaires à ce sujet peuvent être trouvées sur Internet à l'adresse http://rcd.ru/qc .). Après avoir maîtrisé cet ouvrage, vous pourrez lire des articles scientifiques sur l'informatique quantique.

Une préparation mathématique préliminaire un peu plus grande sera nécessaire lors de la lecture du livre de A. Kitaev, A. Shen, M. Vyaly "Classical and Quantum Computing" (Moscou: MTsNMO-Chero, 1999).

Un certain nombre d'aspects fondamentaux de la mécanique quantique qui sont essentiels pour l'informatique quantique sont analysés dans le livre "Téléportation quantique - un miracle ordinaire" de V. V. Belokurov, O. D. Timofeevskaya, O. A. Khrustalev (Izhevsk : RHD, 2000).

La maison d'édition RCD s'apprête à publier une traduction de la revue d'A. Steen sur les ordinateurs quantiques dans un livre séparé.

La littérature suivante sera utile non seulement en termes cognitifs, mais aussi en termes historiques :

1) Yu. I. Manin. Calculable et non calculable.

M. : Sov. Radio, 1980.

2) I. von Neumann. Fondements mathématiques de la mécanique quantique.

Moscou : Nauka, 1964.

3) R. Feynman. Simulation de la physique sur ordinateurs // Ordinateur quantique et informatique quantique :

Sam. en 2 volumes - Izhevsk : RHD, 1999. Volume 2, p. 96-123.

4) R. Feynman. Ordinateurs de mécanique quantique

// Idem, p. 123.-156.

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La quantité d'informations dans le monde augmente chaque année de 30%. Ce n'est qu'au cours des cinq dernières années que l'humanité a été produit plus de données que dans toute l'histoire précédente. Les systèmes IoT émergent, chaque capteur envoyant et recevant de grandes quantités de données chaque seconde, et les analystes prédisent que le nombre d'objets connectés à l'IoT dépassera bientôt le nombre d'utilisateurs humains. Ces volumes colossaux d'informations doivent être stockés quelque part et traités d'une manière ou d'une autre.

Désormais, il existe déjà des supercalculateurs d'une capacité de plus de 50 pétaflops (1 pétaflops = 1 000 milliards d'opérations par seconde). Cependant, tôt ou tard, nous atteindrons la limite physique de la puissance possible du processeur. Bien sûr, les supercalculateurs peuvent encore croître en taille, mais ce n'est pas une solution au problème, car les tailles finiront par atteindre leurs limites. Selon les scientifiques, la loi de Moore cessera bientôt d'être remplie et l'humanité aura besoin de nouveaux appareils et technologies de traitement de données beaucoup plus puissants. Par conséquent, de grandes entreprises informatiques travaillent déjà à la création d'un tout nouveau type d'ordinateur révolutionnaire, dont la puissance sera des centaines de fois supérieure à ce que nous avons aujourd'hui. C'est un ordinateur quantique. Les experts promettent que grâce à lui, il sera peut-être possible de trouver un remède contre le cancer, de trouver instantanément des criminels en analysant des enregistrements de caméras et de simuler des molécules d'ADN. Maintenant, il est même difficile d'imaginer quelles autres tâches il pourra résoudre.

Microsoft essaie d'être à la pointe du développement dans ce domaine, l'étudiant depuis plus de vingt ans, car celui qui créera le premier un ordinateur quantique recevra un avantage concurrentiel indéniable. De plus, la société travaille non seulement sur la création de matériel, mais a également récemment introduit un langage de programmation que les développeurs peuvent utiliser. En fait, très peu de gens peuvent se vanter de comprendre les principes de cet appareil révolutionnaire, pour la plupart d'entre nous, c'est quelque chose de la catégorie de la fantaisie. Que représente-t-il donc ?

L'une des parties les plus importantes d'un ordinateur, dont sa puissance dépend directement, est le processeur, qui, à son tour, se compose d'un grand nombre de transistors. Les transistors sont les parties les plus simples du système, ils ressemblent un peu aux interrupteurs et ne peuvent être que dans deux positions : soit "on" soit "off". C'est à partir des combinaisons de ces dispositions que se forme le code binaire, composé de zéros et de uns, sur lequel reposent tous les langages de programmation.

En conséquence, plus l'ordinateur est puissant, plus il faut de transistors pour son fonctionnement. Les fabricants réduisent constamment leur taille, essayant d'en intégrer le plus possible dans les processeurs. Par exemple, il y en a des milliards dans la nouvelle Xbox One X.

Or, la taille d'un transistor est de 10 millimicrons, c'est-à-dire un cent millième de millimètre. Mais un jour, une limite physique sera atteinte, en dessous de laquelle le transistor ne pourra tout simplement pas être fabriqué. Afin d'éviter une crise dans le développement de l'informatique, les scientifiques travaillent à la création d'un ordinateur qui fonctionnera sur un principe complètement différent - le quantique. Les transistors qui vont constituer un ordinateur quantique peuvent être dans deux positions à la fois : "on" et "off" et, par conséquent, être à la fois un et zéro, c'est ce qu'on appelle la "superposition".

Si nous prenons 4 transistors standard (bits), ils peuvent, en travaillant ensemble, créer 16 combinaisons différentes de uns et de zéros. Un à la fois.

Si nous considérons 4 transistors quantiques (qubits), alors ils peuvent être les 16 combinaisons en même temps. C'est un énorme gain de temps et d'espace !

Mais, bien sûr, créer des qubits est très, très difficile. Les scientifiques doivent faire face à des particules subatomiques qui obéissent aux lois de la mécanique quantique, développer une approche complètement nouvelle de la programmation et du langage.

Il existe différents types de qubits. Les experts de Microsoft, par exemple, travaillent à la création de qubits topologiques. Ils sont incroyablement fragiles et facilement détruits par la moindre onde sonore ou rayonnement thermique. Pour un fonctionnement stable, ils doivent être constamment à une température de -273 ° C. Cependant, ils présentent également un certain nombre d'avantages par rapport aux autres types: les informations qui y sont stockées ne sont pratiquement pas sujettes aux erreurs et, par conséquent, un ordinateur quantique créé sur la base de qubits topologiques sera un système ultra-fiable.

L'ordinateur quantique de Microsoft se compose de trois niveaux principaux : le premier niveau est l'ordinateur quantique lui-même, contenant des qubits et constamment à une température proche du zéro absolu ; le niveau suivant - l'ordinateur cryogénique - c'est aussi un tout nouveau type d'ordinateur qui contrôle quantique et fonctionne à une température de -268°C ; le dernier niveau est un ordinateur, sur lequel une personne peut déjà travailler, et gère l'ensemble du système. Ces ordinateurs seront 100 à 300 fois plus puissants que les superordinateurs les plus avancés qui existent actuellement.

Aujourd'hui, le monde ne s'est jamais approché de l'invention d'un véritable ordinateur quantique: il existe une compréhension du principe de son fonctionnement, des prototypes. Et au moment où la puissance des ordinateurs conventionnels pour traiter toutes les informations existant sur Terre cessera de suffire, un ordinateur quantique fera son apparition, ce qui marque une toute nouvelle ère des technologies numériques.

Au cours des dernières décennies, les ordinateurs se sont développés très rapidement. En fait, dans la mémoire d'une génération, ils sont passés de lampes encombrantes qui occupent d'immenses pièces à des tablettes miniatures. La mémoire et la vitesse ont augmenté rapidement. Mais le moment est venu où des tâches sont apparues qui n'étaient même pas soumises aux ordinateurs modernes super puissants.

Qu'est-ce qu'un ordinateur quantique ?

L'émergence de nouvelles tâches échappant au contrôle des ordinateurs conventionnels nous a obligés à rechercher de nouvelles opportunités. Et, comme alternative aux ordinateurs conventionnels, les ordinateurs quantiques sont apparus. Un ordinateur quantique est une technologie informatique basée sur les éléments de la mécanique quantique. Les principales dispositions de la mécanique quantique ont été formulées au début du siècle dernier. Son apparition a permis de résoudre de nombreux problèmes de physique qui ne pouvaient être résolus en physique classique.

Bien que la théorie quantique soit déjà dans son deuxième siècle, elle n'est encore compréhensible que pour un cercle restreint de spécialistes. Mais il existe de vrais résultats de la mécanique quantique, à laquelle nous sommes déjà habitués - technologie laser, tomographie. Et à la fin du siècle dernier, la théorie de l'informatique quantique a été développée par le physicien soviétique Yu. Manin. Cinq ans plus tard, David Deutsch dévoile l'idée d'une machine quantique.

Existe-t-il un ordinateur quantique ?

Mais la mise en œuvre des idées n'était pas si simple. Périodiquement, des rapports indiquent qu'un autre ordinateur quantique a été créé. Des géants du domaine des technologies de l'information travaillent au développement d'une telle technologie informatique:

D-Wave est une entreprise canadienne pionnière dans la production d'ordinateurs quantiques opérationnels. Néanmoins, les experts débattent de la nature réelle des ordinateurs quantiques et des avantages qu'ils offrent.
IBM - a créé un ordinateur quantique et en a ouvert l'accès aux internautes pour expérimenter des algorithmes quantiques. D'ici 2025, l'entreprise prévoit de créer un modèle capable de résoudre des problèmes pratiques.
Google - a annoncé la sortie cette année d'un ordinateur capable de prouver la supériorité du quantique sur les ordinateurs conventionnels.
En mai 2017, des scientifiques chinois à Shanghai ont annoncé qu'ils avaient créé l'ordinateur quantique le plus puissant au monde, dépassant de 24 fois les analogues en fréquence de traitement du signal.
En juillet 2017, lors de la conférence de Moscou sur les technologies quantiques, il a été annoncé qu'un ordinateur quantique de 51 qubits avait été créé.

En quoi un ordinateur quantique est-il différent d'un ordinateur conventionnel ?

La différence fondamentale d'un ordinateur quantique réside dans l'approche du processus de calcul.

Dans un processeur conventionnel, tous les calculs sont basés sur des bits qui sont dans deux états 1 ou 0. Autrement dit, tout le travail se résume à analyser une énorme quantité de données pour se conformer aux conditions spécifiées. Les ordinateurs quantiques sont basés sur des qubits (bits quantiques). Leur caractéristique est la capacité d'être dans l'état 1, 0, ainsi que 1 et 0.
Les possibilités d'un ordinateur quantique augmentent considérablement, puisqu'il n'est pas nécessaire de chercher la réponse souhaitée parmi la multitude. Dans ce cas, la réponse est sélectionnée parmi les options déjà disponibles avec un certain degré de probabilité de correspondance.

A quoi sert un ordinateur quantique ?

Le principe d'un ordinateur quantique, construit sur le choix d'une solution avec un degré de probabilité suffisant et la capacité de trouver une telle solution plusieurs fois plus rapidement que les ordinateurs modernes, détermine le but de son utilisation. Tout d'abord, l'émergence de ce type de technologie informatique inquiète les cryptographes. Cela est dû à la capacité d'un ordinateur quantique à calculer facilement les mots de passe. Ainsi, l'ordinateur quantique le plus puissant créé par des scientifiques russo-américains est capable d'obtenir les clés des systèmes de cryptage existants.

Il existe des problèmes appliqués plus utiles pour les ordinateurs quantiques, ils sont liés au comportement des particules élémentaires, à la génétique, à la santé, aux marchés financiers, à la protection des réseaux contre les virus, à l'intelligence artificielle et à bien d'autres que les ordinateurs ordinaires ne peuvent pas encore résoudre.

Comment fonctionne un ordinateur quantique ?

Le dispositif d'un ordinateur quantique est basé sur l'utilisation de qubits. En tant qu'implémentation physique des qubits actuellement utilisés :

anneaux en supraconducteurs avec cavaliers, à courant multidirectionnel ;
atomes individuels, sous l'influence de faisceaux laser;
les ions ;
photons ;
des options pour l'utilisation de nanocristaux semi-conducteurs sont en cours de développement.

Ordinateur quantique - principe de fonctionnement

S'il est certain de travailler avec un ordinateur classique, il n'est pas facile de répondre à la question de savoir comment fonctionne un ordinateur quantique. La description du fonctionnement d'un ordinateur quantique est basée sur deux phrases qui sont obscures pour la plupart :

Principe de superposition- on parle de qubits qui peuvent être simultanément en positions 1 et 0. Cela permet de faire plusieurs calculs en même temps, et de ne pas trier les options, ce qui donne un gros gain de temps ;
intrication quantique- un phénomène noté par A. Einstein, qui consiste en la relation de deux particules. En termes simples, si l'une des particules a une hélicité positive, alors la seconde prend instantanément une hélicité positive. Cette relation se produit indépendamment de la distance.

Qui a inventé l'ordinateur quantique ?

La base de la mécanique quantique a été énoncée au tout début du siècle dernier comme une hypothèse. Son développement est associé à des physiciens aussi brillants que Max Planck, A. Einstein, Paul Dirac. En 1980, Yu. Antonov a proposé l'idée de la possibilité de l'informatique quantique. Un an plus tard, Richard Feineman a théoriquement modélisé le premier ordinateur quantique.

Maintenant, la création d'ordinateurs quantiques est en cours de développement et il est même difficile d'imaginer de quoi un ordinateur quantique est capable. Mais il est absolument clair que le développement de cette direction apportera aux gens de nombreuses nouvelles découvertes dans tous les domaines scientifiques, leur permettra de se pencher sur le monde micro et macro, d'en savoir plus sur la nature de l'esprit, la génétique.

La science ne s'arrête pas là 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 un fait courant à l'avenir. On pense que la recherche dans le domaine de la création d'un ordinateur quantique aidera à arriver à cette déclaration. Le leadership est occupé par le Japon, plus de 70% de toutes les recherches incombent à ce pays. L'essence de cette découverte est plus compréhensible pour ceux qui sont en quelque sorte liés à la physique. Mais la plupart d'entre nous sont diplômés du lycée, où certains des problèmes de physique quantique sont révélés dans le manuel de 11e année.

Comment tout a commencé

Rappelons que le début a été posé par deux découvertes majeures, pour lesquelles leurs auteurs ont reçu le prix Nobel. En 1918, Max Planck découvrit le quantique, et Albert Einstein en 1921 photon. L'idée de créer un ordinateur quantique est née en 1980, lorsqu'il a été prouvé que la théorie quantique était vraie. 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 effectué 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 surgissent, dont la solution prend assez de temps, bien qu'il existe de nombreux laboratoires dans le monde traitant de ce problème. Les exigences pour un tel ordinateur sont très élevées, car la précision des mesures doit être très élevée et il est nécessaire de minimiser le nombre d'influences externes, dont chacune faussera le fonctionnement du système quantique.

POURQUOI UN ORDINATEUR QUANTIQUE EST-IL NÉCESSAIRE ?

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 du 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 travail d'un ordinateur quantique est lié au concept de spin. Pour qui la physique se limite aux connaissances scolaires, ils peuvent affirmer l'existence de trois particules élémentaires et la présence en elles de caractéristiques simples, comme la masse et la charge.

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

La condition principale ici est la présence de deux états quantiques. Changer l'état d'un certain bit dans un ordinateur conventionnel ne conduit pas à un changement dans les autres, mais dans un ordinateur quantique, changer l'un entraînera un changement dans l'état des autres particules. Ce changement peut être contrôlé, et imaginez 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 intégral n'est qu'une hypothèse, beaucoup de travail reste à faire par les physiciens dans ce domaine de la mécanique quantique, qui s'appelle 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 des opérations de calcul les plus complexes. Quipper est un langage conçu spécifiquement pour de telles machines.

La suite des opérations effectuées

Dans la création d'un ordinateur de nouvelle génération, quatre domaines sont distingués, qui diffèrent en ce qu'ils agissent comme des qubits logiques :

la direction des spins des particules qui forment la base de l'atome ;
la présence ou l'absence d'une paire de Cooper à un emplacement spécifié dans l'espace ;
Dans quel état se trouve l'électron externe ?
différents états d'un photon.

Considérons maintenant le schéma selon lequel l'ordinateur fonctionne. Pour commencer, un ensemble de qubits est pris et leurs paramètres initiaux sont écrits. Les transformations sont effectuées à l'aide d'opérations logiques, la valeur résultante est écrite, qui est le résultat émis par l'ordinateur. Les qubits agissent comme des fils et les transformations constituent des blocs logiques. Un tel processeur a été proposé par D. Deutsch, qui en 1995 a pu créer une chaîne capable d'effectuer n'importe quel calcul au niveau quantique. Mais un tel système donne de petites erreurs, qui peuvent être légèrement réduites en augmentant le nombre d'opérations impliquées dans l'algorithme.

Comment fonctionne un ordinateur quantique ?

Qu'avez-vous réalisé

Jusqu'à présent, seuls deux types d'ordinateurs quantiques ont été développés, mais la science ne s'arrête pas là. Le travail des deux machines est basé sur des phénomènes quantiques :

associé à la supraconductivité. Lorsqu'il est violé, la quantification est observée;
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 considéré 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 noter l'ordinateur à deux qubits avec un logiciel créé en Amérique. Ils se sont également avérés capables de sortir un ordinateur à deux qubits avec un cristal de diamant. Dans le rôle des qubits, la direction du spin des particules d'azote, ses composants : le noyau et l'électron, a été utilisée. Pour fournir une protection importante, un système très complexe a été développé qui vous permet de donner des résultats avec une précision de 95 %.

ICQT 2017. John Martinis, Google : L'ordinateur quantique : la vie après la loi de Moore

A quoi ça sert tout ça ?

Nous avons déjà parlé de la création d'ordinateurs quantiques. Ces ordinateurs ne sont pas le résultat de ce qu'ils recherchaient, mais ils ont trouvé leur acquéreur. La société de défense américaine Lockheed Martin a payé 10 millions de dollars. Leur acquisition est capable de trouver des erreurs dans le programme le plus complexe installé sur le chasseur F-35. Google veut lancer des programmes d'apprentissage automatique grâce à son acquisition.

Avenir

Dans le développement d'un ordinateur quantique les grandes entreprises et l'État sont très intéressés. Cela conduira à de nouvelles découvertes dans le domaine du développement d'algorithmes cryptographiques. Est-ce que cela jouera entre les mains de l'État ou des pirates, le temps décidera. Mais le travail de création et de reconnaissance des clés de chiffrement 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 contacter n'importe quel point du globe, et peut-être même au-delà.

Un tel ordinateur aidera à faire, notamment dans le déchiffrement du code génétique. Cela conduira à la résolution de nombreux problèmes médicaux.

Et, bien sûr, cela ouvrira légèrement la porte au pays des secrets mystiques, des mondes parallèles.

Nous allons avoir un gros choc. Tout ce à quoi nous sommes habitués n'est qu'une partie de ce monde, qui a déjà reçu le nom de réalité quantique. Aller au-delà du monde matériel aidera, ce qui constitue le principe de fonctionnement d'un ordinateur quantique.

29 janvier 2017

Pour moi, l'expression "ordinateur quantique" est comparable, par exemple, à "moteur à photons", c'est-à-dire que c'est quelque chose de très complexe et fantastique. Cependant, je lis maintenant dans les nouvelles - "un ordinateur quantique est vendu à quiconque le veut". C'est étrange, soit cette expression signifie maintenant autre chose, soit c'est juste un faux ?

Regardons de plus près...

COMMENT TOUT A COMMENCÉ?

Ce n'est qu'au milieu des années 1990 que la théorie des ordinateurs quantiques et de l'informatique quantique s'est imposée comme un nouveau domaine scientifique. Comme c'est souvent le cas avec les grandes idées, il est difficile de distinguer un pionnier. Apparemment, le mathématicien hongrois I. von Neumann a été le premier à attirer l'attention sur la possibilité de développer la logique quantique. Cependant, à cette époque, non seulement les ordinateurs quantiques, mais aussi les ordinateurs classiques ordinaires n'avaient pas encore été créés. Et avec l'avènement de ce dernier, les principaux efforts des scientifiques se sont avérés être principalement dirigés vers la recherche et le développement de nouveaux éléments pour eux (transistors, puis circuits intégrés), et non vers la création de dispositifs informatiques fondamentalement différents.

Alors que les ordinateurs proliféraient, les scientifiques impliqués dans les objets quantiques sont arrivés à la conclusion qu'il était pratiquement impossible de calculer directement l'état d'un système en évolution composé de seulement quelques dizaines de particules en interaction, comme une molécule de méthane (CH4). Cela s'explique par le fait que pour une description complète d'un système complexe, il est nécessaire de conserver dans la mémoire de l'ordinateur un nombre exponentiellement grand (en termes de nombre de particules) de variables, les amplitudes dites quantiques. Une situation paradoxale s'est présentée : connaissant l'équation d'évolution, connaissant avec suffisamment de précision tous les potentiels d'interaction des particules entre elles et l'état initial du système, il est pratiquement impossible de calculer son avenir, même si le système n'est constitué que de 30 électrons dans un puits de potentiel, et un supercalculateur avec RAM est disponible , dont le nombre de bits est égal au nombre d'atomes dans la région visible de l'Univers (!). Et en même temps, pour étudier la dynamique d'un tel système, on peut simplement mettre en place une expérience avec 30 électrons, en les plaçant dans un potentiel et un état initial donnés. Ceci, en particulier, a attiré l'attention du mathématicien russe Yu. I. Manin, qui en 1980 a souligné la nécessité de développer une théorie des dispositifs informatiques quantiques. Dans les années 1980, le même problème a été étudié par le physicien américain P. Benev, qui a clairement montré qu'un système quantique peut effectuer des calculs, ainsi que par le scientifique anglais D. Deutsch, qui a théoriquement développé un ordinateur quantique universel qui surpasse son homologue classique. .

R. Feynman, lauréat du prix Nobel de physique, a attiré beaucoup d'attention sur le problème du développement des ordinateurs quantiques. Grâce à son autorité, le nombre de spécialistes qui se sont intéressés à l'informatique quantique a été multiplié par plusieurs.

La base de l'algorithme de Shor : la capacité des qubits à stocker plusieurs valeurs en même temps)

Et pourtant, pendant longtemps, il est resté difficile de savoir si la puissance de calcul hypothétique d'un ordinateur quantique pouvait être utilisée pour accélérer la résolution de problèmes pratiques. Mais en 1994, P. Shor, un mathématicien américain de Lucent Technologies (USA), a stupéfié le monde scientifique en proposant un algorithme quantique permettant une factorisation rapide des grands nombres (l'importance de ce problème a déjà été évoquée dans l'introduction). Comparé au meilleur des méthodes classiques connues aujourd'hui, l'algorithme quantique de Shor donne une accélération multiple des calculs, et plus le nombre factorisable est long, plus le gain en vitesse est important. L'algorithme de factorisation rapide présente un grand intérêt pratique pour divers services de renseignement qui ont accumulé des banques de messages non déchiffrés.

En 1996, le collègue de Shor chez Lucent Technologies, L. Grover, a proposé un algorithme de recherche rapide quantique dans une base de données non ordonnée. (Un exemple d'une telle base de données est un annuaire téléphonique, dans lequel les noms des abonnés ne sont pas classés par ordre alphabétique, mais arbitrairement.) La tâche de trouver, de choisir l'élément optimal parmi de nombreuses options est très courante dans les tâches économiques, militaires, d'ingénierie, dans les jeux informatiques. L'algorithme de Grover permet non seulement d'accélérer le processus de recherche, mais également de doubler approximativement le nombre de paramètres pris en compte lors du choix de l'optimum.

En termes simples, alors : un système quantique donne un résultat qui n'est correct qu'avec une certaine probabilité. En d'autres termes, si vous calculez 2+2, alors 4 ne sortira qu'avec un certain degré de précision. Vous n'obtiendrez jamais exactement 4. La logique de son processeur n'est pas du tout similaire au processeur auquel nous sommes habitués.

Il existe des méthodes pour calculer le résultat avec une précision prédéterminée, naturellement avec une augmentation du temps de calcul.
Cette fonctionnalité définit la liste des tâches. Et cette fonctionnalité n'est pas annoncée, et le public a l'impression qu'un ordinateur quantique est identique à un PC ordinaire (le même 0 et 1), seulement rapide et coûteux. Ce n'est fondamentalement pas vrai.

Oui, et un autre point - pour un ordinateur quantique et l'informatique quantique en général, en particulier pour utiliser la "puissance et la vitesse" de l'informatique quantique, des algorithmes et des modèles spéciaux développés spécifiquement pour les spécificités de l'informatique quantique sont nécessaires. Par conséquent, la complexité de l'utilisation d'un ordinateur quantique ne réside pas seulement dans la présence de matériel, mais également dans la compilation de nouvelles méthodes de calcul jusqu'alors inutilisées. "

Et maintenant passons à l'implémentation pratique d'un ordinateur quantique : un processeur commercial D-Wave de 512 qubits existe déjà depuis un certain temps et est même en cours de commercialisation !!!

Ici, lui, semble-t-il, est une véritable percée !!! Et un groupe de scientifiques réputés de la non moins réputée revue Physical Review témoigne de manière convaincante que des effets d'intrication quantique ont bien été découverts dans D-Wave.

En conséquence, cet appareil a parfaitement le droit d'être appelé un véritable ordinateur quantique, architecturalement, il permet pleinement une nouvelle augmentation du nombre de qubits, et a donc d'excellentes perspectives pour l'avenir ... (T. Lanting et al. Entanglement dans un processeur de recuit quantique PHYSICAL REVIEW X 4 , 021041 (2014) (http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevX.4.021041))

Certes, un peu plus tard, un autre groupe de scientifiques réputés de la revue tout aussi réputée Science, qui a étudié le même système informatique D-Wave, l'a évalué de manière purement pratique : dans quelle mesure cet appareil remplit-il ses fonctions informatiques. Et ce groupe de scientifiques démontre de manière tout aussi approfondie et convaincante que le premier que, dans des tests de vérification réels, parfaitement adaptés à cette conception, l'ordinateur quantique D-Wave ne donne aucun gain de vitesse par rapport aux ordinateurs classiques classiques. (T.F. Ronnow, M. Troyer et al. Définir et détecter l'accélération quantique. SCIENCE, juin 2014 Vol. 344 #6190 (http://dx.doi.org/10.1126/science.1252319))

En fait, il n'y avait pas de tâches pour la "machine du futur" coûteuse mais spécialisée où elle pourrait démontrer sa supériorité quantique. En d'autres termes, le sens même des efforts très coûteux pour créer un tel appareil est en grand doute ...
Les résultats sont les suivants : il ne fait plus aucun doute dans la communauté scientifique que le travail des éléments du processeur informatique D-Wave s'effectue réellement sur la base d'effets quantiques réels entre les qubits.

Mais (et c'est un MAIS extrêmement sérieux), les caractéristiques clés de la conception du processeur D-Wave sont telles qu'en fonctionnement réel, toute sa physique quantique ne donne aucun avantage par rapport à un ordinateur puissant classique avec un logiciel spécial adapté à la résolution de problèmes d'optimisation.

Pour le dire simplement, non seulement les scientifiques testant D-Wave n'ont pas encore vu un seul problème du monde réel où un ordinateur quantique pourrait démontrer de manière convaincante sa supériorité informatique, mais même le fabricant lui-même n'a aucune idée de quel type de problème il pourrait s'agir. ..

Tout dépend des caractéristiques de conception du processeur D-Wave de 512 qubits, qui est assemblé à partir de groupes de 8 qubits. En même temps, à l'intérieur de ces groupes de 8 qubits, ils communiquent tous directement entre eux, mais entre ces groupes, les connexions sont très faibles (idéalement, TOUS les qubits du processeur devraient communiquer directement entre eux). Ceci, bien sûr, réduit TRÈS considérablement la complexité de la construction d'un processeur quantique ... MAIS, à partir de là, de nombreux autres problèmes se développent, se refermant au final et sur des équipements cryogéniques très coûteux qui refroidissent le circuit à des températures ultra-basses.

Alors que nous proposent-ils maintenant ?

La société canadienne D-Wave a annoncé le début des ventes de son ordinateur quantique D-Wave 2000Q, annoncé en septembre dernier. Adhérant à sa propre version de la loi de Moore, selon laquelle le nombre de transistors sur un circuit intégré double tous les deux ans, D-Wave a placé 2 048 qubits sur un CPU (dispositif de traitement quantique). La dynamique de croissance du nombre de qubits sur le CPU ces dernières années ressemble à ceci :

2007 — 28
…
— 2013 — 512
— 2014 — 1024
— 2016 — 2048.

De plus, contrairement aux processeurs, CPU et GPU traditionnels, le doublement des qubits s'accompagne non pas d'une multiplication par 2, mais d'une multiplication par 1000 des performances. Par rapport à un ordinateur avec une architecture traditionnelle et une configuration d'un processeur monocœur et d'un GPU à 2500 cœurs, la différence de performances est de 1 000 à 10 000 fois. Tous ces chiffres sont certes impressionnants, mais il y a quelques « mais ».

Tout d'abord, le D-Wave 2000Q est extrêmement cher à 15 millions de dollars, c'est un appareil assez massif et complexe. Son cerveau est un processeur constitué d'un métal non ferreux appelé niobium, dont les propriétés supraconductrices (nécessaires aux ordinateurs quantiques) se produisent dans le vide à une température proche du zéro absolu en dessous de 15 millikelvins (c'est-à-dire 180 fois inférieure à la température dans l'espace extra-atmosphérique) .

Le maintien d'une température aussi extrêmement basse nécessite une grande quantité d'énergie, 25 kW. Mais tout de même, selon le constructeur, c'est 100 fois moins que les supercalculateurs traditionnels de performances équivalentes. Ainsi, les performances du D-Wave 2000Q par watt de consommation électrique sont 100 fois supérieures. Si l'entreprise parvient à continuer à suivre sa "loi de Moore", alors dans ses futurs ordinateurs, cette différence augmentera de façon exponentielle, tout en maintenant la consommation d'énergie aux niveaux actuels.

Premièrement, les ordinateurs quantiques ont un objectif très spécifique. Dans le cas du D-Wave 2000Q, nous parlons du soi-disant. ordinateurs adiabatiques et résolution de problèmes de normalisation quantique. Ils surviennent notamment dans les domaines suivants :

Apprentissage automatique :

Détection des anomalies statistiques
— trouver des modèles compressés
— reconnaissance d'images et de motifs
- formation aux réseaux de neurones
— vérification et approbation des logiciels
— classification des données non structurées
- diagnostiquer les erreurs dans le circuit

Sécurité et planification

Détection de virus et de piratage réseau
— répartition des ressources et recherche de moyens optimaux
— définition de l'appartenance à un ensemble
— analyse des propriétés du graphique
- factorisation d'entiers (utilisé en cryptographie)

modélisation financière

Identification de l'instabilité du marché
— développement de stratégies commerciales
— optimisation des trajectoires de trading
— optimisation de la valorisation et de la couverture des actifs
— optimisation du portefeuille

Soins de santé et médecine

Détection de fraude (probablement assurance maladie)
— génération de thérapies médicamenteuses ciblées (« moléculaires ciblées »)
– optimisation du traitement [du cancer] par la radiothérapie
— création de modèles protéiques.

Le premier acheteur du D-Wave 2000Q était TDS (Temporal Defense Systems), une société de cybersécurité. En général, les produits D-Wave sont utilisés par des entreprises et des institutions telles que Lockheed Martin, Google, le centre de recherche Ames de la NASA, l'université de Californie du Sud et le laboratoire national de Los Alamos du département américain de l'énergie.

Ainsi, nous parlons d'une technologie rare (D-Wave est la seule entreprise au monde à produire des échantillons commerciaux d'ordinateurs quantiques) et coûteuse avec une application plutôt étroite et spécifique. Mais le taux de croissance de sa productivité est étonnant, et si cette dynamique se poursuit, alors grâce aux ordinateurs adiabatiques D-Wave (que d'autres entreprises pourraient éventuellement rejoindre) dans les années à venir, on peut s'attendre à de véritables percées scientifiques et technologiques. La combinaison des ordinateurs quantiques avec une technologie aussi prometteuse et en développement rapide que l'intelligence artificielle est particulièrement intéressante, d'autant plus qu'un spécialiste aussi reconnu qu'Andy Rubin y voit un avenir.

Au fait, saviez-vous que la société IBM permettait aux internautes de se connecter gratuitement à l'ordinateur quantique universel qu'elle avait construit et d'expérimenter des algorithmes quantiques. Cet appareil n'aura pas assez de puissance pour casser les systèmes cryptographiques à clé publique, mais si les plans d'IBM se réalisent, l'émergence d'ordinateurs quantiques plus complexes n'est pas loin.

L'ordinateur quantique qu'IBM a mis à disposition contient cinq qubits : quatre sont utilisés pour travailler avec des données, et le cinquième sert à corriger les erreurs lors des calculs. La correction d'erreurs est la principale innovation dont ses développeurs sont fiers. Cela facilitera l'augmentation du nombre de qubits à l'avenir.

IBM souligne que son ordinateur quantique est universel et capable d'exécuter n'importe quel algorithme quantique. Cela le distingue des ordinateurs quantiques adiabatiques que développe D-Wave. Les ordinateurs quantiques adiabatiques sont conçus pour trouver la solution optimale des fonctions et ne conviennent pas à d'autres fins.

On pense que les ordinateurs quantiques universels permettront de résoudre certains problèmes qui dépassent la puissance des ordinateurs conventionnels. L'exemple le plus connu d'un tel problème est la factorisation des nombres en facteurs premiers. Il faudrait des centaines d'années à un ordinateur ordinaire, même très rapide, pour trouver les facteurs premiers d'un grand nombre. Un ordinateur quantique les trouvera en utilisant l'algorithme de Shor presque aussi rapidement qu'en multipliant des nombres entiers.

L'impossibilité de décomposer rapidement les nombres en facteurs premiers est à la base des systèmes cryptographiques à clé publique. Si cette opération est apprise à être effectuée à la vitesse promise par les algorithmes quantiques, alors la majeure partie de la cryptographie moderne devra être oubliée.

Il est possible d'exécuter l'algorithme de Shor sur un ordinateur quantique IBM, mais tant qu'il n'y a plus de qubits, cela ne sert à rien. Au cours des dix prochaines années, la situation va changer. D'ici 2025, IBM prévoit de construire un ordinateur quantique contenant de cinquante à cent qubits. Selon les experts, même avec cinquante qubits, les ordinateurs quantiques pourront résoudre certains problèmes pratiques.

Voici quelques informations plus intéressantes sur la technologie informatique : lisez comment, mais il s'avère également que c'est possible et quel type de