Qu'est-ce qu'un ordinateur quantique
La principale différence entre les ordinateurs quantiques et les ordinateurs traditionnels à transistors,
Dans un ordinateur classique, un bit peut stockerseulement un nombre: zéro ou un. La physique quantique permet cependant une superposition d'états. Un bit quantique peut être à zéro et un état en même temps - et cela ouvre des opportunités incroyables pour le calcul ultra-rapide.
Pour cela, il a besoin de milliers de super-puissantsprocesseurs. En conséquence, les calculs, qui prendront un ordinateur de jeu puissant par semaine, le supercalculateur effectue en une journée. Cependant, il est important que les programmes fonctionnent correctement, en tenant compte des caractéristiques techniques de la machine. Sinon, ce qui fonctionne correctement sur 100 processeurs ralentira beaucoup de 200.
Les ordinateurs quantiques stockent et traitent les donnéesen utilisant des bits quantiques - qubits. Ce dernier peut non seulement s'allumer et s'éteindre, mais aussi être dans un état transitoire, voire être allumé et éteint en même temps. Poursuivant l'analogie avec les ampoules: un qubit est comme une lumière que vous avez éteinte, mais il continue de clignoter. Ou le chat de Schrödinger, qui est à la fois vivant et mort.
Étant donné que les lumières d’un ordinateur quantique s’allument et s’éteignent en même temps, cela permet de gagner beaucoup de temps. Par conséquent, il résout des problèmes complexes beaucoup plus rapidement qu’un appareil classique, même très puissant.
En 2001, Isaac Chuang, directeurLe groupe de recherche du laboratoire IBM, professeur adjoint au MIT et pionnier dans le domaine de l'informatique quantique, a construit un ordinateur quantique basé sur une seule molécule. Les résultats, publiés dans Nature, représentent la première mise en œuvre expérimentale de l'algorithme de Shor, un algorithme de factorisation quantique (factorisation d'un nombre en facteurs premiers) qui permet de factoriser un nombre dans le temps.
Quand tu as trop d’atomes c’eston dirait une grande forêt. Il était très difficile de contrôler un atome avec le précédent. Le défi est d’implémenter [l’algorithme] dans un système suffisamment isolé : en même temps, il doit rester suffisamment longtemps mécanique quantique pour que l’on puisse réellement implémenter l’ensemble de l’algorithme.
Prénom nom de famille
Les ordinateurs quantiques ne ressemblent pas aux ordinateurs ordinaires. Ce sont de grands cylindres métalliques avec des fils torsadés qui sont abaissés dans des unités de réfrigération.
Ils peuvent être utilisés pour différentes tâches,y compris des calculs en chimie et en physique ou pour créer de nouveaux matériaux. Un autre domaine d'application d'un ordinateur quantique concerne les problèmes de cryptographie et de sécurité. Ces problèmes sont ressentis avec le plus d'acuité par les organisations financières et les banques, ce qui n'est pas surprenant : il y a eu récemment des scandales de fuites et de piratages.
Les capacités d'un ordinateur quantique permettrontaccéder à toutes les informations, il est donc temps de penser à les protéger à l'aide des technologies appropriées ou à utiliser un ordinateur quantique pour créer un cryptage amélioré.
Que signifie «supériorité quantique»?
La suprématie quantique est la capacité de résoudre un problème qui dépasse les capacités des supercalculateurs les plus modernes.
Ces dernières années, des progrès significatifs ont été réalisésréalisé dans le développement d'une plate-forme supraconductrice. L'essence de la supériorité quantique réside dans le fait qu'un ordinateur quantique résout efficacement un problème pour lequel un supercalculateur classique prend énormément de temps.
La première percée a eu lieu fin octobre 2019,lorsque Google a annoncé avoir développé l'ordinateur quantique Google Sycamore: selon leurs données, le système a fait face à la tâche en 200 secondes, ce qui nécessiterait environ 10 mille ans de travail de supercalculateurs classiques. C'est ce qu'ils ont appelé le terme «supériorité quantique».
Cependant, le travail de l'entreprise a rencontré une partle scepticisme et les concurrents d'IBM ont calculé qu'en fait le problème utilisé peut être résolu en quelques jours - assez pour un avantage, mais pas pour une supériorité à part entière.
La prochaine étape importante dans le développement des ordinateurs quantiquesest tombé début décembre 2020. Le 4 décembre, on a appris que des scientifiques chinois avaient créé un prototype d'ordinateur quantique "Jiuzhang", qui faisait face à l'algorithme de vérification standard 10 milliards de fois plus rapide que Sycamore, un prototype de 53 qubits d'un ordinateur quantique de Google. La société a déclaré que son développement avait également atteint l'excellence quantique.
Les scientifiques ont testé la capacité de calcul"Jiuzhang" en utilisant l'algorithme spécial GBS. Le système y a fait face 100 trillions de fois plus vite que le supercalculateur le plus puissant existant. De plus, les développeurs ont déclaré que la puissance de calcul de leur appareil est 10 milliards de fois supérieure à celle de Sycamore.
En 2001, Chuang, pionnier du quantiquecalcul, construit un ordinateur quantique basé sur une seule molécule qui pourrait être tenue en superposition et manipulée par résonance magnétique nucléaire pour se multiplier 15. Les résultats, qui ont été publiés dans Nature, représentaient la première implémentation expérimentale de l'algorithme de Shor. Mais le système n'était pas évolutif; à mesure que plus d'atomes étaient ajoutés, il devenait plus difficile de contrôler le système.
Comment les nouveaux ordinateurs quantiques seront-ils utilisés?
L'une des applications les plus importantes du quantumordinateur maintenant - décomposition en nombres premiers. Le fait est que toute cryptographie moderne est basée sur le fait que personne ne peut décomposer rapidement un nombre de 30 à 40 chiffres (ou plus) en facteurs premiers. Sur un ordinateur classique, cela prendra des milliards d'années. Un ordinateur quantique peut le faire en 18 secondes environ.
Si nous supposons que la présence d'un quantumaprès un certain temps, l'ordinateur deviendra une norme sociale, auquel cas il n'y aura plus de secrets dans tout le cyberespace, car tout algorithme de cryptage peut être immédiatement piraté et accéder à n'importe quoi. Cela s'applique à tout - des virements bancaires aux messages dans la messagerie.
Les ordinateurs quantiques sont également parfaits pourmodéliser des situations complexes, par exemple, calculer les propriétés physiques de nouveaux éléments au niveau moléculaire. Cela permettra peut-être de trouver plus rapidement de nouveaux médicaments ou de résoudre des tâches complexes et gourmandes en ressources.
Que peut-il faire d'autre?
- Bases de données et recherche par elles.
Travailler avec le Big Data deviendra incroyablement rapide.Shazam, routage, réseaux de neurones, intelligence artificielle, tout cela recevra un incroyable coup de pouce. Il sera également possible de construire des modèles d'interaction de composés protéiques complexes. Ce sera une étape très importante pour la médecine, ouvrant des opportunités pour créer de futurs médicaments, comprendre comment différents virus nous affectent, etc.
- Applications à la cryptographie.
En raison de l'énorme vitesse de décomposition en simplemultiplicateurs un ordinateur quantique permettra le décryptage des messages cryptés par l'algorithme cryptographique RSA largement utilisé. Jusqu'à présent, cet algorithme est considéré comme relativement fiable, car un moyen efficace de factoriser les nombres en facteurs premiers pour un ordinateur classique est actuellement inconnu. Grâce à l'algorithme quantique de Shor, cette tâche devient tout à fait réalisable si un ordinateur quantique est construit.
- Recherche en intelligence artificielle.
Les ordinateurs quantiques sont, en théorie, une bonne solutionpour les besoins d'apprentissage automatique. Ils manipulent de grandes quantités de données en un seul passage et sont capables de simuler un réseau de neurones de taille exponentielle. En 2013, Google Corporation a annoncé l'ouverture d'un laboratoire de recherche quantique dans le domaine de l'intelligence artificielle. Volkswagen mène des recherches sur l'utilisation des ordinateurs quantiques pour développer des voitures autonomes et de nouveaux types de batteries (en utilisant des ordinateurs quantiques de Google et D-Wave). En novembre 2018, l'inquiétude a annoncé le développement d'un système de gestion du trafic (avec l'intégration de véhicules sans pilote), fonctionnant à l'aide d'ordinateurs quantiques D-Wave.
- Modélisation moléculaire.
On suppose que l'utilisation de quantumles ordinateurs pourront simuler avec précision les interactions moléculaires et les réactions chimiques. Les réactions chimiques sont de nature quantique. Pour les ordinateurs classiques, seules des molécules relativement simples peuvent être calculées. Selon les experts, la simulation sur ordinateurs quantiques ouvre de nouvelles perspectives pour le développement de l'industrie chimique, notamment dans la création de médicaments
Et qu'en est-il de la Russie?
La Russie est activement impliquée dans la course quantique, à proposCela a été écrit par Nature il y a environ un an. Une «feuille de route pour le développement de l'informatique quantique» a également été adoptée. En termes de statut actuel, la Russie a créé des éléments clés pour toutes les principales plates-formes de calcul quantique.
La prochaine étape consiste à les mettre à l'échelle etdémonstration de résolution de problèmes avec leur aide. Il convient de noter que le programme se concentre non seulement sur le matériel et les processeurs, mais également sur les logiciels. La prochaine percée de l'informatique quantique nécessite définitivement des idées originales - un point traditionnellement fort des scientifiques russes.
Fin novembre 2020, on a appriscréation du consortium National Quantum Laboratory (NKL). Le consortium, qui comprenait les structures Rosatom, la Fondation Skolkovo et les universités, exportera des technologies quantiques et développera des infrastructures. Mais la tâche principale est de créer un ordinateur quantique.
Dans le cadre de la "roadmap" "Quantum computing"il est prévu de construire un centre de nanofabrication d'une superficie de 2 mille mètres carrés sur le territoire de Skolkovo. m, ainsi qu'un complexe de laboratoires de pointe d'une superficie de plus de 3,5 mille mètres carrés. m.
Parmi les principaux indicateurs indiqués dans la rubrique "routemap ”, dont la réalisation est prévue, y compris par la création du NCL, - d'ici la fin de 2024, les membres du consortium doivent créer des systèmes informatiques sur différentes plates-formes quantiques d'une capacité de 30 à 100 qubits, et enregistrer 40 brevets internationaux par an.
Lisez aussi:
Le glacier Doomsday s'est avéré plus dangereux que les scientifiques ne le pensaient. Nous disons l'essentiel
Voir le plus grand iceberg jamais pris depuis les airs
La Chine a testé pour la première fois le «soleil artificiel»