Plongée dans un ordinateur quantique

En ce 21ième siècle, les ordinateurs font désormais partie intégrante de la société humaine. Cependant, même si toujours plus puissants, leurs manière de raisonner n’a pas fondamentalement changé. Vous pouvez vous réjouir en déballant votre nouveau PC, mais sachez qu’il raisonne strictement de la même manière que Colossus né voilà plus de 70 ans.
Ordinateur Colossus
Pour information Colossus avait une puissance de calcule estimé à 5 000 opérations par seconde; aujourd’hui la plupart des smartphones ont une fréquence horloge d’au moins 2 GHz, ce qui signifie qu’ils sont capables de réaliser un minimum de 2 milliards d’opérations par seconde.

Comment fonctionne un ordinateur classique ?

Avant d’aborder les principes de fonctionnement d’un ordinateur quantique, il serait intéressant de faire un petit rappel concernant la manière de calculer d’un ordinateur classique.
Globalement, il faut retenir que votre ordi traite l’information grâce à une série de circuits électriques qui s’allument et s’éteignent à la commande. Les statuts « allumer » et « éteint » sont respectivement représentés par des « 1 » et des « 0 » contenus dans une case, c’est ce qu’on appelle un bit. Le cerveau de votre machine est donc principalement constitué de milliards de cases contenant des 0 et des 1. Après traitement, cette information (la suite de 0 et de 1), est transformée en image, vidéo ou son et c’est tout.

À quoi ressemble un bit ?

Sur l’image de gauche on peut voir la surface d’un CD (Compact Disc) vu au microscope et sur la droite celle d’un disque dur . Ainsi donc, les bits sont des trous gravés sur un disque.
Bits vus au microscope

/!\Attention : Un bit est différent d’un byte. Le byte est une suite de huit bits.

Un Byte

De la puissance de l’ordinateur classique

Supercalculateur IBM
Si comme moi vous galérez pour écrire du texte sur Word ou faire des calculs sur Excel, un tout petit PC suffit amplement. Par contre pour des entreprises opérant dans le trading haute fréquence par exemple, qui stockent et traitent des centaines de milliers d’opérations toutes les minutes, il faut des supercalculateurs comme celui se trouvant sur la photo ci-dessus.
Pour réaliser des calculs gigantesques, les scientifiques ont besoin d’ordinateurs toujours plus puissants. Pour cela, il faut donc accroître la puissance de calcul de l’ordi en augmentant sa mémoire et le nombre de ses processeurs. Ce qui permettra de respectivement stocker et traiter plus d’informations.

Cependant, aussi puissant que soit un supercalculateur il peut prendre un sérieux coup de fatigue lorsqu’il s’agit de traiter des problèmes relativement complexes comme celui du voyageur de commerce.

Le fonctionnement d’un ordinateur quantique

Ordinateur quantique D-wave

Contrairement à votre ordi classique, celui quantique n’utilise pas des bits mais des qbits ( quantum bit) qui sont en fait de minuscules particules magnétiquement suspendues dans un environnement extrêmement froid, proche du zéro absolu (-273°C). Eh oui ! vous avez bien entendu, dans un ordinateur quantique les informations sont stockées dans des particules comme l’électron, les ions ou même les photons. C’est justement pour cette particularité qu’il porte le qualificatif d’ordinateur quantique.

En quoi un ordi quantique résonne-t-il mieux ?

Les qbits utilisent certaines propriétés de la physique quantique. Autrement dit, si un bit sur un ordinateur classique ne peut prendre que la valeur 0 ou 1, un qbit peut non seulement prendre l’une de ces deux valeurs mais il peut encore aller plus loin en étant simultanément chacune de ces deux valeurs. Il faut savoir que les effets de la physique quantique ne peuvent pas être utilisés pour décrire le monde à l’échelle humaine. À l’échelle quantique, je peux être moi-même et quelqu’un d’autre à la fois. Vous pouvez jeter un coup d’œil sur la théorie du chat de Schrödinger si vous désirer savoir un peu plus.

Un ordinateur quantique est largement plus puissant qu’un ordinateur classique et ce avec moins de processeurs. Par exemple un ordi quantique avec 1 qbit est 21 fois plus puissant qu’un ordi avec 1 bit , un ordi avec 2 qbits est 22 fois plus rapide, avec 3 qbits il est 33 plus rapide qu’un ordi classique et ainsi de suite.

Quand est-ce que je pourrais avoir un ordinateur quantique ?

Ces ordinateurs ne sont pour le moment destinés qu’aux grandes institutions qui font énormément de calculs comme Google ou la NASA et autant dire qu’ils coûtent un bras. Pour le moment, seul D-wave en fabrique pour les commercialiser.
Néanmoins, selon le laboratoire de recherche de Google, il serait envisageable dans les 10 prochaines années de vulgariser l’usage de tels ordinateurs au grand public.

Pour le moment, la principale problématique reste d’ordre logistique. Les qbits ont besoin d’être totalement isolés du monde extérieur. C’est donc pour cela qu’ils sont refroidis par une température proche du zéro absolu car le moindre écart de température peut perturber les électrons et en modifier ainsi l’information qui y est stockée.

Aussi, si effectuer une opération de « copier-coller » est un jeu d’enfant sur un PC classique, avec un ordinateur quantique cette opération est tout bonnement impossible à réaliser actuellement. Ceci, car nous sommes dans un environnement répondant aux lois quantiques où tout change en permanence. Les bits changent constamment de valeur, si vous copier une image d’un chat par exemple elle peut se transformer en une image de lézard… 😮 …C’est juste un exemple totalement décalé pour vous donner un aperçu 😉

L’avenir de l’ordinateur quantique

Actuellement les scientifiques travaillent pour arriver à faire tourner n’importe quel algorithme sur un ordinateur quantique.
Vous devez aussi savoir qu’il existe des algorithmes quantiques, déjà que je nage pour comprendre les algorithmes classiques!!! 🙁 Celui de Shor par exemple permet de casser un encodage RSA en un temps relativement raisonnable à l’échelle d’une vie humaine. Si nos mails et nos sms sont solidement protégés et quasi inviolables, c’est grâce au chiffrement RSA. Une fois implémenté, c’est-à-dire mis en pratique dans une machine, cet l’algorithme va poser de sérieux problèmes de sécurité concernant la cryptographie puisque toutes les anciennes clefs de chiffrement vont se voir cassées en moins de deux.

Bref, l’ordinateur quantique est juste à ses débuts et pleines de surprises nous attendent.

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