Un ordinateur quantique est un dispositif informatique qui utilise les phénomènes de superposition quantique et d'intrication quantique pour transmettre et traiter des données. Un ordinateur quantique universel à part entière est encore un appareil hypothétique, dont la possibilité même de construction est associée à un développement sérieux de la théorie quantique dans le domaine de nombreuses particules et d'expériences complexes; les développements dans ce domaine sont associés aux dernières découvertes et réalisations de la physique moderne. Sur le actuellement seuls quelques systèmes expérimentaux ont été pratiquement mis en œuvre, exécutant un algorithme fixe de faible complexité.
Selon les rédacteurs de Science Alert, un groupe de spécialistes de l'Université de Vienne a pu développer le tout premier routeur quantique et a même effectué les premiers tests d'un nouvel appareil. Il s'agit du premier appareil capable non seulement de recevoir des photons intriqués, mais aussi de les transmettre. De plus, le circuit utilisé dans le routeur peut devenir la base de la création d'un Internet 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 quel Versions Microsoft Les fenêtres. 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 existe aussi dans Microsoft Windows, ce qui signifie qu'il est évidemment plus largement distribué que ce populaire système opérateur. Pour détecter des traces de RSA, par exemple, dans navigateur Internet Explorer (un programme permettant de visualiser des pages www sur Internet), ouvrez simplement le menu "Aide", entrez le "À propos de 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 se retrouve très souvent dans des problèmes économiques, militaires, 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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L'informatique quantique, du moins en théorie, fait parler d'elle depuis des décennies. Les types de machines modernes qui utilisent des mécanismes non classiques pour traiter des quantités de données potentiellement inimaginables ont constitué une grande percée. Selon les développeurs, leur mise en œuvre s'est avérée être peut-être la technologie la plus complexe jamais créée. Les processeurs quantiques fonctionnent aux niveaux de matière que l'humanité a appris il y a seulement 100 ans. Le potentiel de tels calculs est énorme. L'utilisation des propriétés bizarres des quantums accélérera les calculs, de sorte que de nombreux problèmes qui dépassent actuellement la puissance des ordinateurs classiques seront résolus. Et pas seulement dans le domaine de la chimie et de la science des matériaux. Wall Street manifeste également son intérêt.
Investissement dans l'avenir
CME Group a investi dans 1QB Information Technologies Inc., basée à Vancouver, qui développe des logiciels pour les processeurs de type quantique. Selon les investisseurs, de tels calculs sont susceptibles d'avoir le plus grand impact sur les industries qui travaillent avec de gros volumes de données sensibles au facteur temps. Les institutions financières sont un exemple de ces consommateurs. Goldman Sachs a investi dans D-Wave Systems et In-Q-Tel est financé par la CIA. Le premier produit des machines qui font ce qu'on appelle le "recuit quantique", c'est-à-dire qui résolvent des problèmes d'optimisation de bas niveau à l'aide d'un processeur quantique. Intel investit également dans cette technologie, même s'il considère sa mise en œuvre comme une question d'avenir.
Pourquoi est-ce nécessaire ?
La raison pour laquelle l'informatique quantique est si excitante est sa combinaison parfaite avec l'apprentissage automatique. Actuellement, c'est la principale application pour de tels calculs. Une partie de l'idée même d'un ordinateur quantique est l'utilisation d'un appareil physique pour trouver des solutions. Parfois, ce concept est expliqué à l'aide de l'exemple du jeu Angry Birds. Le processeur de la tablette utilise des équations mathématiques pour simuler la gravité et l'interaction d'objets en collision. Les processeurs quantiques renversent cette approche. Ils "lancent" quelques oiseaux et voient ce qui se passe. Les oiseaux sont enregistrés sur la puce électronique, ils sont lancés, quelle est la trajectoire optimale ? Ensuite, toutes les solutions possibles, ou au moins une très grande combinaison d'entre elles, sont testées et la réponse est renvoyée. Dans un ordinateur quantique, il n'y a pas de mathématicien ; à la place, les lois de la physique fonctionnent.
Comment fonctionne-t-il ?
Les éléments de base de notre monde sont la mécanique quantique. Si vous regardez les molécules, la raison pour laquelle elles se forment et restent stables est l'interaction de leurs orbitales électroniques. Tous les calculs de mécanique quantique sont contenus dans chacun d'eux. Leur nombre croît de façon exponentielle avec le nombre d'électrons simulés. Par exemple, pour 50 électrons, il y a 2 possibilités à la puissance 50. C'est phénoménal, donc on ne peut pas le calculer aujourd'hui. Relier la théorie de l'information à la physique peut ouvrir la voie à la résolution de tels problèmes. Un ordinateur de 50 qubits peut le faire.
L'aube d'une nouvelle ère
Selon Landon Downes, président et co-fondateur de 1QBit, un processeur quantique est la capacité d'exploiter la puissance de calcul du monde subatomique, ce qui est d'une grande importance pour obtenir de nouveaux matériaux ou créer de nouveaux médicaments. Il y a une transition du paradigme de la découverte vers une nouvelle ère de conception. Par exemple, l'informatique quantique peut être utilisée pour modéliser des catalyseurs qui permettent d'éliminer le carbone et l'azote de l'atmosphère et aident ainsi à stopper le réchauffement climatique.
A la pointe du progrès
La communauté des développeurs de cette technologie est extrêmement excitée et occupée. Partout dans le monde, des équipes de startups, d'entreprises, d'universités et de laboratoires gouvernementaux se battent pour construire des machines qui utilisent différentes approches du traitement quantique de l'information. Des puces qubit supraconductrices et des qubits à ions piégés ont été créés par des chercheurs de l'Université du Maryland et du National Institute of Standards and Technology des États-Unis. Microsoft développe une approche topologique appelée Station Q qui vise à exploiter un anion non abélien dont l'existence n'a pas encore été prouvée de manière concluante.
Année de percée probable
Et ce n'est que le début. Fin mai 2017, le nombre de processeurs de type quantique qui font sans équivoque quelque chose de plus rapide ou de mieux qu'un ordinateur classique est nul. Un tel événement établirait une "suprématie quantique", mais jusqu'à présent, cela ne s'est pas produit. Bien qu'il soit probable que cela puisse arriver cette année. La plupart des initiés disent que le favori est le groupe Google, dirigé par le professeur de physique de l'UC Santa Barbara, John Martini. Son objectif est d'atteindre la supériorité informatique avec un processeur de 49 qubits. Fin mai 2017, l'équipe avait testé avec succès une puce de 22 qubits comme étape intermédiaire vers le démontage d'un supercalculateur classique.
Comment tout cela a-t-il commencé?
L'idée d'utiliser la mécanique quantique pour traiter l'information est vieille de plusieurs décennies. L'un des événements clés s'est produit en 1981, lorsque IBM et le MIT ont organisé conjointement une conférence sur la physique de l'informatique. Le célèbre physicien a proposé de construire un ordinateur quantique. Selon lui, pour la modélisation, il faudrait utiliser les moyens de la mécanique quantique. Et c'est une grande tâche, car cela n'a pas l'air si simple. Le principe de fonctionnement d'un processeur quantique repose sur plusieurs propriétés étranges des atomes - superposition et enchevêtrement. Une particule peut être dans deux états à la fois. Cependant, une fois mesuré, ce ne sera que dans l'un d'entre eux. Et il est impossible de prédire dans lequel, sauf du point de vue de la théorie des probabilités. Cet effet sous-tend l'expérience de pensée avec le chat de Schrödinger, qui est à la fois vivant et mort dans une boîte jusqu'à ce qu'un observateur y jette un coup d'œil. Rien dans la vie de tous les jours ne fonctionne comme ça. Pourtant, environ 1 million d'expériences menées depuis le début du XXe siècle montrent que la superposition existe. Et la prochaine étape consiste à comprendre comment utiliser ce concept.
Processeur quantique : description du poste
Les bits classiques peuvent prendre la valeur 0 ou 1. Si vous passez leur chaîne par des "portes logiques" (ET, OU, NON, etc.), alors vous pouvez multiplier des nombres, dessiner des images, etc. Un qubit peut prendre des valeurs 0 , 1 ou les deux en même temps. Si, par exemple, 2 qubits sont intriqués, cela les rend parfaitement corrélés. Un processeur de type quantique peut utiliser des portes logiques. T. n. la porte Hadamard, par exemple, met le qubit dans un état de superposition parfaite. Lorsque la superposition et l'intrication sont combinées avec des portes quantiques judicieusement placées, le potentiel de l'informatique subatomique commence à se déployer. 2 qubits permettent d'explorer 4 états : 00, 01, 10 et 11. Le principe de fonctionnement d'un processeur quantique est tel que l'exécution d'une opération logique permet de travailler avec toutes les positions à la fois. Et le nombre d'états disponibles est de 2 à la puissance du nombre de qubits. Donc, si vous créez un ordinateur quantique universel de 50 qubits, vous pouvez théoriquement explorer toutes les combinaisons de 1,125 quadrillions en même temps.
Kudité
Le processeur quantique en Russie est vu un peu différemment. Des scientifiques de l'Institut de physique et de technologie de Moscou et du Centre quantique russe ont créé des "kudits", qui sont plusieurs qubits "virtuels" avec différents niveaux "d'énergie".
Amplitudes
Le processeur de type quantique a l'avantage que la mécanique quantique est basée sur les amplitudes. Les amplitudes sont comme des probabilités, mais elles peuvent aussi être des nombres négatifs et complexes. Ainsi, si vous avez besoin de calculer la probabilité d'un événement, vous pouvez ajouter les amplitudes de toutes les options possibles pour leur développement. L'idée derrière l'informatique quantique est d'essayer de s'accorder de telle sorte que certains chemins vers des réponses incorrectes aient une amplitude positive et d'autres une amplitude négative afin qu'ils s'annulent. Et les chemins menant à la bonne réponse auraient des amplitudes en phase les unes avec les autres. L'astuce consiste à tout organiser sans savoir à l'avance quelle réponse est la bonne. Ainsi, l'exponentielle des états quantiques, combinée au potentiel d'interférence entre les amplitudes positives et négatives, est un avantage de ce type de calcul.
Algorithme de Shor
Il existe de nombreux problèmes qu'un ordinateur ne peut pas résoudre. Par exemple, le cryptage. Le problème est qu'il n'est pas facile de trouver les facteurs premiers d'un nombre à 200 chiffres. Même si l'ordinateur portable exécute un excellent logiciel, cela peut prendre des années pour trouver la réponse. Un autre jalon de l'informatique quantique a donc été un algorithme publié en 1994 par Peter Shor, aujourd'hui professeur de mathématiques au MIT. Sa méthode consiste à rechercher des facteurs d'un grand nombre à l'aide d'un ordinateur quantique, qui n'existait pas encore. Essentiellement, l'algorithme effectue des opérations qui pointent vers les régions avec la bonne réponse. L'année suivante, Shor a découvert un moyen de corriger les erreurs quantiques. Ensuite, beaucoup se sont rendu compte qu'il s'agissait d'une autre méthode de calcul, qui dans certains cas peut être plus puissante. S'en est suivi un regain d'intérêt de la part des physiciens pour créer des qubits et des portes logiques entre eux. Et maintenant, deux décennies plus tard, l'humanité est sur le point de créer un ordinateur quantique à part entière.
La semaine dernière, on a appris que Google avait fait une percée dans le développement d'un ordinateur quantique -
l'entreprise a compris comment un tel ordinateur ferait face
avec mes propres erreurs. Ils parlent d'ordinateurs quantiques depuis plusieurs années : par exemple, il a fait la couverture du magazine Time. Si de tels ordinateurs apparaissent, ce sera une percée semblable à l'apparition des ordinateurs classiques - et encore plus grave. Look At Me explique pourquoi les ordinateurs quantiques sont bons et ce que Google a fait exactement.
Qu'est-ce qu'un ordinateur quantique ?
Un ordinateur quantique est un mécanisme à l'intersection de l'informatique et de la physique quantique, la section la plus complexe de la physique théorique. Richard Feynman, l'un des plus grands physiciens du XXe siècle, a dit un jour : « Si vous pensez comprendre la physique quantique, alors vous ne la comprenez pas. Veuillez donc noter que les explications suivantes sont incroyablement simplifiées. Il faut des années aux gens pour comprendre la physique quantique.
La physique quantique traite des particules élémentaires plus petites qu'un atome. La façon dont ces particules sont disposées et dont elles se comportent contredit bon nombre de nos idées sur l'univers. Une particule quantique peut se trouver à plusieurs endroits à la fois - et dans plusieurs états à la fois. Imaginez que vous ayez lancé une pièce de monnaie : tant qu'elle est en l'air, vous ne pouvez pas dire si elle tombera pile ou face ; cette pièce est à la fois pile et face. C'est ainsi que se comportent les particules quantiques. C'est ce qu'on appelle le principe de superposition.
Un ordinateur quantique est encore un appareil hypothétique qui utilisera le principe de superposition (et autres propriétés quantiques)
pour le calcul. Un ordinateur typique fonctionne avec des transistors,
qui perçoivent toute information comme des zéros et des uns. Le code binaire peut décrire le monde entier - et résoudre tous les problèmes qu'il contient. L'analogue quantique du bit classique est appelé un qubit. (qubit, qu - du mot quantum, quantum). En utilisant le principe de superposition, un qubit peut être simultanément
dans l'état 0 et 1 - et cela augmentera non seulement considérablement la puissance par rapport aux ordinateurs traditionnels, mais vous permettra également de résoudre des problèmes inattendus,
dont les ordinateurs ordinaires ne sont pas capables.
Le principe de superposition est le seul
Sur quoi seront basés les ordinateurs quantiques ?
Non. Étant donné que les ordinateurs quantiques n'existent qu'en théorie, les scientifiques ne font que deviner comment ils fonctionneront exactement. Par exemple, on pense que les ordinateurs quantiques utiliseront également l'intrication quantique.
C'est ce qu'Albert Einstein appelait "effrayant" ( il était généralement contre la théorie quantique, car elle n'est pas compatible avec sa théorie de la relativité). La signification du phénomène est que deux particules dans l'Univers peuvent être interconnectées, et vice versa : disons, si l'hélicité
(il existe une telle caractéristique de l'état des particules élémentaires, nous n'entrerons pas dans les détails) de la première particule est positive, l'hélicité de la seconde sera toujours négative, et vice versa. Ce phénomène est qualifié de « creepy » pour deux raisons. Premièrement, cette connexion fonctionne instantanément, plus rapidement que la vitesse de la lumière. Deuxièmement, les particules intriquées peuvent être à n'importe quelle distance les unes des autres.
d'un ami : par exemple, à différentes extrémités de la Voie Lactée.
Comment utiliser un ordinateur quantique ?
Les scientifiques recherchent des applications pour les ordinateurs quantiques et cherchent en même temps à les construire. L'essentiel est qu'un ordinateur quantique sera capable d'optimiser très rapidement les informations et généralement de travailler avec des données volumineuses que nous accumulons, mais dont nous ne comprenons pas encore l'utilisation.
Imaginons ceci (très simplifié, bien sûr): Vous êtes sur le point de tirer sur une cible avec un arc et vous devez déterminer à quelle hauteur viser pour toucher. Disons que vous devez calculer la hauteur de 0 à 100 cm, un ordinateur classique calculera tour à tour chaque trajectoire : d'abord 0 cm, puis 1 cm, puis 2 cm, et ainsi de suite. Un ordinateur quantique, en revanche, calculera toutes les options en même temps - et vous donnera instantanément celle qui vous permettra d'atteindre exactement la cible. De nombreux processus peuvent ainsi être optimisés :
de la médecine (disons, diagnostiquer le cancer plus tôt) avant l'aviation (par exemple, faire des pilotes automatiques plus complexes).
Il existe également une version qu'un tel ordinateur sera capable de résoudre des problèmes dont un ordinateur conventionnel n'est tout simplement pas capable - ou qui lui prendrait des milliers d'années de calcul. Un ordinateur quantique pourra travailler avec les simulations les plus complexes : par exemple, pour calculer s'il existe d'autres êtres intelligents dans l'univers que les humains. Il est possible que la création d'ordinateurs quantiques conduise à
à l'avènement de l'intelligence artificielle. Imaginez ce que l'avènement des ordinateurs conventionnels a fait à notre monde - les ordinateurs quantiques pourraient être à peu près la même percée.
Qui développe des ordinateurs quantiques ?
Tout. Gouvernements, militaires, entreprises technologiques. Construire un ordinateur quantique profitera à presque tout le monde. Par exemple, parmi les documents publiés par Edward Snowden, il y avait des informations selon lesquelles la NSA a un projet "Introduction aux cibles complexes", qui comprend la création d'un ordinateur quantique pour chiffrer les informations. Microsoft est sérieusement engagé dans les ordinateurs quantiques - ils ont commencé leurs premières recherches dans ce domaine en 2007. IBM dirige le développement et il y a quelques années, ils ont annoncé avoir créé une puce à trois qubits. Enfin, Google et la NASA collaborent
avec la société D-Wave, qui prétend sortir déjà
"le premier processeur quantique commercial" (ou plutôt, le second, maintenant leur modèle s'appelle D-Wave Two), mais cela ne fonctionne pas encore comme un quantum -
rappelez-vous, ils n'existent pas.
À quel point sommes-nous proches de créer
ordinateur quantique ?
Personne ne peut le dire avec certitude. Nouvelles sur les percées technologiques (comme l'actualité récente de Google) apparaissent constamment, mais nous pouvons être aussi très loin
d'un ordinateur quantique à part entière, et très proche de celui-ci. Disons qu'il y a des études qui disent qu'il suffit de créer un ordinateur avec juste
avec plusieurs centaines de qubits pour le faire fonctionner comme un ordinateur quantique à part entière. D-Wave prétend avoir créé un processeur avec 84 qubits -
mais les critiques qui ont analysé leur processeur affirment qu'il fonctionne,
comme un ordinateur classique, pas comme un ordinateur quantique. Collaborateurs Google
avec D-Wave, ils pensent que leur processeur n'en est qu'aux tout premiers stades de développement et qu'il fonctionnera éventuellement comme un processeur quantique. D'une certaine manière, maintenant
les ordinateurs quantiques ont un problème principal - les erreurs. Tous les ordinateurs font des erreurs, mais les ordinateurs classiques peuvent facilement les gérer - mais pas les ordinateurs quantiques. Une fois les chercheurs triés sur les bugs, il ne restera plus que quelques années avant l'apparition d'un ordinateur quantique.
Ce qui rend difficile la correction des erreurs
dans les ordinateurs quantiques ?
Pour simplifier, les erreurs dans les ordinateurs quantiques peuvent être divisées en deux niveaux. Le premier concerne les erreurs commises par tous les ordinateurs, y compris les ordinateurs classiques. Une erreur peut se produire dans la mémoire de l'ordinateur lorsque 0 passe à 1 involontairement en raison de bruits externes tels que des rayons cosmiques ou des radiations. Ces erreurs sont faciles à résoudre, toutes les données sont vérifiées pour de tels changements. Et Google s'est récemment occupé de ce problème dans les ordinateurs quantiques : ils ont stabilisé une chaîne de neuf qubits
et l'a libérée de ses erreurs. Il y a cependant une nuance à cette percée : Google a traité les erreurs classiques de l'informatique classique. Il existe un deuxième niveau d'erreur dans les ordinateurs quantiques, et il est beaucoup plus difficile à comprendre et à expliquer.
Les qubits sont extrêmement instables, ils sont sujets à la décohérence quantique - c'est une violation de la communication au sein d'un système quantique sous l'influence de l'environnement. Un processeur quantique doit être isolé le plus possible de l'environnement (bien que la décohérence se produise parfois à la suite de processus internes) pour minimiser les erreurs. Dans le même temps, il est impossible de se débarrasser complètement des erreurs quantiques - mais si vous les rendez suffisamment rares, un ordinateur quantique peut fonctionner. Dans le même temps, certains chercheurs pensent que 99% de la puissance d'un tel ordinateur sera simplement dirigée
pour éliminer les erreurs, mais le 1% restant est suffisant pour résoudre tous les problèmes.
Selon le physicien Scott Aaronson, la réussite de Google peut être considérée comme la troisième
avec la moitié des sept étapes nécessaires pour créer un ordinateur quantique - en d'autres termes, nous sommes à mi-chemin.
