L’informatique quantique et IBM « Quantum Heron 2 »
L’informatique quantique est souvent évoquée comme le remplaçant à venir de nos ordinateurs classiques. En réalité, il est plus probable qu’ils coexistent.
L’association du quantique et de l’intelligence artificielle est vue comme l’une des synergies technologiques les plus prometteuses. Le quantique reste un domaine dans lequel la recherche est encore à ses balbutiements.
Malgré tout, IBM conforte l’idée selon laquelle le quantique n’est plus qu’un simple concept technologique difficile à maîtriser. IBM a ainsi dévoilé la seconde version de son processeur « Quantum Heron 2 » : une puce modulaire disposant de 156 qubits dans une disposition hexagonale lourde.
Le quantique est un domaine technique, il s’agira donc de détailler succinctement une vue à 360° de cette technologie souvent très peu connue des juristes.
Quelle est la différence entre un ordinateur classique et un ordinateur utilisant une puce « quantique » ?
Les ordinateurs classiques sont basés sur une technologie binaire, ils utilisent des bits informatiques standard qui ont une valeur de 0 à 1.
Ces ordinateurs ont du mal à résoudre des problèmes complexes, c’est-à-dire des problèmes comportant de nombreuses variables. Alors que les ordinateurs classiques utilisent le bit, les ordinateurs quantiques utilisent le Qubit. Le Qubit peut représenter à la fois 0 et 1 simultanément avec des probabilités données. Cela permet à un ordinateur quantique de réaliser plusieurs calculs en parallèle.
Pourquoi l’existence du Qubit est une révolution technologique ?
Imaginons une liste de nombres pour laquelle on veut trouver un élément précis :
1 9 5 3 8 18 16
L’ordinateur classique va devoir parcourir chaque élément de la liste, il devra donc parcourir (n) étapes pour le trouver (donc 7 étapes dans cet exemple).
L’ordinateur quantique trouvera l’élément précis en racine carrée de n étapes (√n), soit ici en 2,64 étapes.
Comment procède-t-il ?
Pour comprendre le quantique, il faut se rapporter au binaire : les bits, représentés par 1 ou 0. Le chiffre 1 signifie qu’il y a du courant et le chiffre 0 qu’il n’y en a pas. L’élément électronique qui laisse ou pas passer le courant, c’est le transistor. On peut le comparer à une porte d’entrée qui laisserait passer ou non les personnes, sauf qu’ici il s’agira d’un courant électrique. Il est alors nécessaire d’avoir plusieurs transistors si l’on veut multiplier la puissance de nos calculs.
Par-exemple, si l’on souhaite vérifier si deux conditions sont correctes sur un programme, il faut observer le comportement des transistors.
Pour le transistor n°1 : si ouvert = 1 donc la 1ère condition est remplie
Pour le transistor n°2 : si fermé = 0 donc la 2ème condition n’est pas validée.
On sait alors qu’une seule condition du programme est remplie. Prenons un exemple d’un programme pour vérifier si un réservoir d’huile de voiture est remplie : « voir si le réservoir d’huile contient de l’huile » (condition validée) et « voir si le réservoir d’huile est rempli à au moins la moitié » (condition non validée). On sait alors qu’il y a encore de l’huile dans le réservoir mais qu’il y en a moins que la moitié.
Grâce à ces portes logiques, on crée la logique derrière les programmes informatiques. Donc, plus on a de transistors, plus on a de bits et donc plus on peut faire d’opérations.
Derrière cette puissance croissante de nos ordinateurs se cache la Loi de Moore. Elle signifie que la puissance de nos ordinateurs croît linéairement à la miniaturisation des transistors.
Malheureusement, la limite physique a déjà été atteinte ! Certains transistors peuvent faire la taille de l’ADN humain, il faut donc trouver une solution et le quantum peut l’incarner.
Le quantum a permis un constat révolutionnaire, celui auquel on n’est pas obligé de représenter les 0 et les 1 avec un courant électrique. Grâce au quantique, la représentation du binaire pourra se faire via des phénomènes physiques bien plus diversifiés, car l’on n’est plus restreint à faire passer du courant électrique dans des transistors.
Comment le Q-bit pourrait-il être utilisé ?
- Solution 1 : Le Qubit va nous permettre de représenter le binaire par le « spin d’un électron ». L’électron peut être orienté vers le haut ou vers le bas. Donc, un 0 ou un 1 : Pour changer l’orientation : on utilise un champ magnétique.
- Solution 2 : Un bit peut aussi être un ion piégé dans un champ magnétique. On va se concentrer sur un électron de cet ion : s’il est proche du noyau, c’est 0 (état fondamental) et s’il est éloigné, c’est 1 (état excité) et ce, en utilisant un laser pour exciter l’électron.
- Solution 3 : Utiliser un supraconducteur : conducteur dans lequel le courant peut passer dans un sens ou dans un autre et suivant ce sens attribuer la valeur 1 ou 0.
Les propriétés du quantique :
La première propriété du quantique est la superposition. Les QuBit peuvent avoir plusieurs états en même temps. Il représente à la fois la valeur 0 et 1 en même temps jusqu’au moment où l’on fait la mesure. Soit 1 ou 0. Avec les bits classiques, cela donnerait cet exemple si l’on veut créer 3 états : 00 et 10 et 11
Avec les QuBit, on retrouve tous ces états en même temps : nQuBit peuvent représenter 2n états simultanément.
La deuxième propriété est l’interférence. Le QuBit peut définir 1 et 0 en même temps jusqu’à la mesure. Le QuBit peut se comparer avec l’expérience du chat de Schroedinger. C’est-à-dire que tant que la mesure n’est pas réalisée, tout est envisageable.
Ainsi, il y a une probabilité totalement inconnue que la mesure puisse représenter soit 1 ou soit 0 (50/50 ou 20/80 etc…).
Le principe de l’interférence, c’est que l’on peut influencer ce pourcentage en notre faveur pour certains calculs. En quantique, on manipule les probabilités. Il est donc tout à fait possible de faire en sorte que la probabilité qu’il y ait un 1 soit supérieure à celle qu’un 0 sorte comme résultat.
La dernière propriété du quantique se nomme l’intrication. C’est le fait que les Q-bits soient liés entre eux. Agir sur l’un aura un impact sur les autres. En informatique quantique, il est impossible de modifier un bit voisin en modifiant un autre. On peut alors faire des opérations sur plusieurs QuBits en même temps ! Les calculs vont donc plus vite.
Grâce à toutes les propriétés du QuBit on va pouvoir aller beaucoup plus loin dans les possibilités de calcul et dans leur vitesse.
Malgré tout, les ordinateurs quantiques ne sont pas comme les ordinateurs classiques, il n’y a pas d’écran, ils servent uniquement à faire des calculs. Une fois le code écrit sur un ordi classique, on le transfère sur l’ordinateur quantique.
L’ordinateur quantique doit être mis dans un « super-réfrigérateur » (IBM explore un refroidissement cryogénique). Ainsi, une quelconque perturbation peut avoir un impact désastreux sur la fiabilité du processus de calcul.
Autre problème majeur, les QuBit sont certes sensibles, mais ils sont aussi encore en nombre insuffisant (quelques centaines), il en faudrait au moins des centaines de milliers.
IBM et le Quantum Heron 2 : quels changements ?
Néanmoins, grâce aux dernières révélations d’IBM, le quantique semble être sur une voie prometteuse. Si l’on compare le nouveau modèle aux puissances calculées en 2023, ce chiffre a tout simplement doublé. L’IBM Heron 2 est 50 fois plus rapide que son prédécesseur.
Le quantique d’IBM collabore notamment avec des partenaires tels que RIKEN au Japon et la Cleveland Clinic aux États-Unis, pour explorer des usages nouveaux et résoudre des problématiques qui seront essentielles pour découvrir de nouveaux matériaux et médicaments.
Le saut technologique que réalise IBM nous démontre que le quantique a encore un énorme potentiel à exploiter, et ce, dans des domaines cruciaux tels que celui de la recherche en santé.
Théo Bartzen
Sources:
- https://www.actuia.com/actualite/quantum-heron-2-ibm-franchit-une-nouvelle-etape-vers-lavantage-quantique/
- https://www.youtube.com/watch?v=wfXs7QXy4IU&t=169s
