L’informatique quantique : tout savoir

À l’aube d’une nouvelle ère numérique, l’informatique quantique se trouve au centre des enjeux stratégiques des gouvernements. Le potentiel puissant de cette technologie révolutionnaire justifie l’engouement des États vis-à-vis de celle-ci. Exploitant les lois de la mécanique quantique, l’informatique quantique est utilisée pour une finalité de résolution de problèmes trop complexes et insolubles avec les ordinateurs classiques. On entend par problèmes complexes, ceux présentant de nombreuses variables et qui agissent entre eux de manière confuse.

L’informatique quantique : qu’est-ce que c’est ?

Sous-domaine de l’informatique, l’informatique quantique est particulière en ce sens où elle utilise les exploits étranges de la physique quantique, mêlant les principes à la fois de la physique, de l’informatique, mais aussi des mathématiques. Ce domaine multidisciplinaire augure un impact positif majeur et à plusieurs égards sur l’économie.

En effet, comparativement aux ordinateurs standards, l’informatique quantique va considérablement simplifier le traitement des problèmes d’optimisation quelle que soit leur complexité et permettra de manière plus efficace et plus rapidement d’y trouver des solutions.

À quoi sert exactement l’informatique quantique ?

Trouvant notamment leur utilité sur 4 principaux champs d’applications, les ordinateurs quantiques peuvent être perçus comme des supercalculateurs d’un nouveau genre. Ils : 

• permettent un calcul plus efficace ;
• permettent de faire une cryptographie quantique ;
• Rendent possible la simulation des phénomènes quantiques ;
• Ils donnent lieu à des instruments de mesure à la précision inégalée.

Cependant, les avancées dans ce domaine élargissent les opportunités dans une multitude de domaines. La recherche en santé, la logistique, le transport et la défense sont les rares exemples de secteurs susceptibles de tirer profit du potentiel de l’informatique quantique.

L’informatique quantique : entre intérêt général et réalité

Les objets quantiques sont pour le moins curieux. Au niveau quantique, les choses se comportent à la fois comme des ondes et des particules. Et pourtant, la fonction d’onde diminue quand on mesure un objet quantique. Il en résulte que l’observateur remarque plutôt une particule. Une autre particularité des objets quantiques est celle d’exister dans différents états concomitamment. C’est le principe de la superposition. L’intrication, un autre principe de l’informatique quantique permet aux objets d’être intriqués avec d’autres.

Le potentiel révolutionnaire de l’informatique quantique : une importante rupture technologique

Dans la réalisation des calculs, l’informatique quantique se distingue de l’informatique ordinaire par l’utilisation des bits quantiques ou qubits à la place des bits classiques. Les qubits sont dans plusieurs états simultanément. Il en découle un nombre incalculable et accru de résultats potentiels. Même si elle n’en est qu’à ses balbutiements, l’informatique quantique va transformer le monde de façon radicale et cela passe évidemment par la transformation des secteurs d’activité existants. Les chercheurs estiment que son potentiel peut tout révolutionner.

Elle peut mener à la découverte de nouveaux médicaments, de nouveaux matériaux, à la cryptographie. Pouvant également représenter un défi majeur pour la cybersécurité à cause de la puissance des ordinateurs quantiques, elle peut garantir une meilleure sécurité numérique avec la mise en œuvre de nouveaux algorithmes de chiffrement ou quand les chercheurs aboutiront au chiffrement quantique.

Quels sont les principes de l’informatique quantique ?

À nouveau, les principes clés de la physique quantique assurent le fonctionnement des ordinateurs quantiques.

Qubits :

Version quantique des bits binaires classiques, les qubits correspondent à 0, 1 ou les deux simultanément. Ils sont les piliers de l’informatique quantique.

Superposition :

C’est ce principe qui autorise les qubits à réaliser plusieurs calculs synchroniquement. La puissance de calcul croissante des ordinateurs quantiques provient également de la superposition.

Intrication quantique :

En dépit de l’éloignement géographique de deux objets ou systèmes, l’intrication quantique implique que ces 2 systèmes sont liés et que si on connait l’un, on connaitra systématiquement l’autre. Autrement dit, si on mesure une particule, les processeurs quantiques sont en mesure de tirer des conclusions sur une autre. Ce sont des états corrélés.

Ce phénomène permet aussi aux qubits de se connecter de manière à ce que l’état d’un qubit affecte celui d’un autre. C’est ce qui entre en jeu lorsque les ordinateurs quantiques résolvent des problèmes d’une complexité exceptionnelle.

Portes quantiques :

Les portes quantiques se réfèrent aux opérations susceptibles d’être réalisées sur un ensemble de qubits. Similaires aux portes logiques de l’informatique classique, celles-ci peuvent traiter toutes les entrées possibles de manière synchronique avec l’intrication et la superposition. L’infrastructure physique des ordinateurs quantiques est généralement importante et doit refroidir la machine à des températures avoisinant le 0.

Comme l’a prouvé IBM, les ordinateurs quantiques surpassent de loin les simulations classiques. La firme est parvenue à générer des états intriqués imitant le mouvement de spin d’un type de matériau avec leur processeur quantique IBM Quantum Eagle doté de 127 qubits supraconducteurs introduit dans une puce. Sycamore, l’ordinateur quantique mis au point par Google surprend par des performances ahurissantes, à des siècles de ce dont les meilleurs supercalculateurs du moment sont capables.

Exemples de secteurs bénéficiant des modifications apportées par l’informatique quantique

Les apports de l’informatique quantique sont aussi variés qu’étendus.

Dans l’industrie de la finance

Avec leurs capacités d’analyse nourries en temps réel par de grands volumes de données, les algorithmes d’IA quantique profitent aux sociétés financières dans la gestion efficace des risques, mais aussi pour prendre des décisions d’investissement plus éclairées au moment de l’achat. L’informatique quantique aidera les banques et assurances à analyser les tendances du marché afin de déterminer dans quelles nouvelles opportunités investir. Elle permettra une prédiction du comportement des actions, des obligations et autres instruments financiers.

Dans la santé et la biotechnologie

Procéder à des analyses des données génétiques ou médicales avec l’IA quantique permettrait de trouver de nouveaux traitements contre les maladies incurables comme le cancer. Il serait aussi possible de trouver les causes sous-jacentes des maladies ou de cibler les mutations génétiques spécifiques à l’origine de certaines pathologies ou d’adopter les traitements à l’état particulier d’un patient.

Dans les chaînes d’approvisionnement et la logistique

Grâce à l’optimisation des réseaux logistiques des entreprises que permet l’informatique quantique, celles-ci pourraient améliorer leur efficacité tout en diminuant leurs coûts. Un exemple concret de ce cas d’usage est l’analyse des routes maritimes pour déterminer le meilleur moyen de transporter les marchandises. L’analyse des données de vente pourrait en revanche permettre de rendre les niveaux de stocks optimaux.

L’informatique quantique pour une meilleure modélisation climatique et environnementale

L’analyse des données environnementales avec l’informatique quantique permettrait aux chercheurs de mieux appréhender l’impact du changement climatique. Ainsi, ils seront plus à même de développer des stratégies adéquates afin d’en atténuer ses effets.

Il est possible d’utiliser l’IA quantique pour étudier les données satellitaires dans un objectif de connaître les changements du niveau de la mer, de prédire la probabilité de tornades ou d’ouragans…

À quels types d’innovations s’attendre avec l’informatique quantique ?

Quelques-unes des innovations attendues et possibles dans l’informatique quantique peuvent s’articuler autour de :

L’amélioration des Qubits

Les chercheurs travaillent sur ces équivalents des bits classiques dans l’optique de les rendre plus fiables et leur donner plus de cohérence de manière à ce qu’ils soient en mesure de stocker l’information quantique de manière plus stable. À cet effet, ils explorent diverses technologies, dont des qubits à base d’ions piégés ou à base de photons, des qubits supraconducteurs…

La multiplication du nombre de qubits

C’est le volume disponible de qubits qui détermine l’échelle et la complexité des calculs quantiques. Une raison qui amène les chercheurs à trouver des moyens d’augmenter significativement le nombre de qubits afin d’être en mesure d’exécuter de puissants algorithmes quantiques. Grâce au nombre accru des qubits, les ordinateurs quantiques autoriseront la réalisation des calculs encore inaccessibles aux ordinateurs classiques. Les recherches étant en cours, nous pouvons déjà espérer utiliser une ordinateur quantique de 1 000 qubits.

Le développement des algorithmes quantiques

Les chercheurs sont également à pied d’œuvre pour développer des algorithmes spécifiques pensés pour une exécution sur des ordinateurs quantiques. Ils se servent des propriétés quantiques pour résoudre des problèmes complexes avec plus de rapidité comparé aux algorithmes habituels. L’algorithme de factorisation de Shor (algorithme de recherche de Grover) et l’algorithme de simulation quantique illustrent cet aspect.

Des erreurs quantiques corrigées

Eu égard aux facteurs comme les instabilités, les bruits ou les interférences, des erreurs peuvent se produire dans les systèmes quantiques. La correction des erreurs quantiques fait l’objet d’une recherche active. Cela vise à développer des techniques permettant la détection et la correction des anomalies. Il y va de la fiabilité des calculs quantiques s’appliquant à des systèmes réels.

L’intégration de l’apprentissage automatique quantique et de l’IA quantique

L’usage de l’informatique quantique est aussi pris en considération par les chercheurs . Ce, dans l’optique de développer de nouveaux algorithmes d’apprentissage automatique et d’intelligence artificielle bénéficiant des propriétés particulières des systèmes quantiques.

Une progression extraordinaire des services cloud quantiques

L’accroissement du nombre de qubits et des temps de cohérence permettent aujourd’hui à certaines entreprises de proposer aux utilisateurs différents types de services cloud quantiques. Ils pourront ainsi expérimenter la puissance de l’informatique quantique sans la contrainte de devoir construire leur propre ordinateur quantique.

En conclusion, des applications et des opportunités actuellement inimaginables de l’informatique quantique feront sans doute leur apparition à mesure que le quantique poursuit son évolution. En conséquence de l’expansion de ses utilisations, un besoin croissant de spécialistes en la matière se fait aussi sentir, soulignant l’urgence de la formation en informatique quantique.