Les géants de l'informatique et les startups
C'est en 2016 que la société IBM a mis au point
un ordinateur à cinq Qubits via le Cloud. Ce dernier aurait
évolué en 2017 et embarque désormais vingt Qubits.
La firme a également, durant cette même
année, mis en place un ordinateur à cinquante Qubits ( qui ne se
trouve pas dans le Cloud). L'état de cette machine fut cependant
instable et ne tenait son état quantique que pendant 90
microsecondes.
Selon le CEO d'IBM, Arvind Krishna, une commercialisation des
premiers ordinateurs quantiques devrait être possible pour 2023.
25
L'entreprise à dévoiler une feuille de route de
l'évolution de leur progression en matière d'informatique
quantique. L'entreprise à d'or et déjà commencé le
développement du processeur Quantique « Eagle » doté de
127 qubits.
https://www.ibm.com/blogs/research/2020/09/ibm-quantum-roadmap/
Des startups se sont également lancées dans
l'étude des systèmes quantiques, comme D-wave, startup
canadienne, qui a annoncé avoir mis au point un ordinateur à 2000
qubits, ou Rigetti, startup Californienne, qui privilégie la
stabilité plutôt que le nombre de qubits. Ce mode
opératoire pourrait leur permettre de créer un véritable
ordinateur quantique utilisable.
La Chine s'est également lancée dans la course.
Après que Google ait annoncé avoir atteint la «
suprématie quantique » en 2019, grâce à leur
processeur quantique « Sycamore » ait effectué en 3 minutes et
20 secondes une tâche qui nécessiterait 10 000 ans à un
ordinateur classique.
Les chercheurs chinois annoncent en 2020 que leur
système « Jiuzhang » serait « dix milliards de fois plus
rapides que Sycamore ». La différence fondamentale entre le
système américain de Google et le système chinois
réside dans la composition des qubits.
Pour appuyer leurs dires, un calcul complexe, «
l'échantillonnage de boson », qui consiste à calculer la
production d'un circuit optique extrêmement complexe où des
photons rebondissent contre des miroirs, a été résolu en
quelques minutes. A titre de comparaison, les chercheurs ont estimé que
le superordinateur le plus puissant aujourd'hui, Fugaku, aurait mis six cents
millions d'années à résoudre ce même
problème.
26
Les qubits de Google étaient à base de
métal, tandis que les qubits chinois étaient à base de
photons. Cette nuance aurait grandement aidé Jiuzhang à atteindre
de tels résultats, de par la non nécessité de refroidir le
système car les photons restent stables même à
température ambiante, contrairement à son homologue
américain, qui impose un contrôle minutieux du refroidissement de
ce dernier.
Cette expérience démontre d'une part des
résultats sans précédent, mais d'autre part que des
systèmes quantiques basés sur la lumière sont capables de
prouesses calculatoires, agrandissant de fait le champ des possibles en
matière de technologie quantique.
https://andisama.medium.com/quantum-computing-challenges-opportunities-b13286203a2b
QuTech Research Center : Mise en place du réseau à
trois noeuds quantiques
Les chercheurs du centre de recherche QuTech, basé sur
Delft aux Pays-Bas, ont créé le système, qui se compose de
trois noeuds quantiques. C'est la première fois que plus de deux qubits
sont reliés entre eux en tant que noeuds
La plus grande difficulté résidait dans le fait
de maintenir l'intrication entre 2 qubits. Une nouvelle fois, ce cas pratique
illustre la place centrale qu'offre le principe d'intrication au sein des
technologies quantiques.
Étendre un réseau quantique de deux noeuds
à trois noeuds, et éventuellement de trois à plusieurs
noeuds, n'est pas aussi simple que d'ajouter plus de liens. Le fait que le
bruit (qui détruit les informations quantiques) et les niveaux de
puissance optique varient considérablement dans tout le réseau,
ce qui complique la tâche.
27
L'équipe de Delft résout ce problème en
utilisant un système stable à deux volets. Le premier
élément ici est de stabiliser l'enchevêtrement entre le
qubit de communication et le qubit «volant».
À cette fin, l'équipe a mesuré la phase
de la lumière réfléchie par la surface du diamant pendant
le processus d'enchevêtrement et a utilisé un faisceau laser plus
puissant pour améliorer ce signal de phase faible. Le choix de la
polarisation garantit que la lumière réfléchie n'atteint
pas le détecteur qui enregistre l'intrication, ce qui peut produire un
faux signal d'intrication. La phase de la lumière amplifiée est
mesurée par d'autres détecteurs, et
l'interféromètre est stabilisé en renvoyant le signal de
phase mesuré au contrôleur piézoélectrique où
son miroir est placé.
La deuxième partie intégrante de la
stabilité consiste à diriger une certaine lumière laser
vers un interféromètre séparé, qui est
utilisé pour créer un enchevêtrement entre les noeuds.
Mesurer l'interférence et coupler le signal à une rallonge de
fibre dans le bras de l'interféromètre. En étirant la
fibre optique, la phase de la lumière dans le bras peut être
contrôlée et l'interféromètre peut être
stabilisé. Le schéma de stabilité local et global peut
être adapté à n'importe quel nombre de noeuds, ce qui
permet d'étendre le réseau.
L'objectif de l'entreprise est de relier les villes de Deflt
et La Haye, distantes l'une de l'autre de dix kilomètres. Actuellement,
leur système multinoeud sont situés à une distance de dix
à vingt mètres.
Des scientifiques de la NASA et leurs partenaires
réalisent pour la première fois une "téléportation
quantique" à longue distance.
Pour la première fois, un groupe de scientifiques et
de chercheurs a réussi à réaliser une
"téléportation quantique" haute-fidélité et durable
- la transmission instantanée de l'unité de base "qubit" de
l'information quantique. La NASA et son équipe ont
démontré avec succès la transmission à distance et
continue de qubits de photons avec une fidélité supérieure
à 90%. En utilisant les détecteurs à photon unique les
plus avancés et l'équipement standard, les qubits sont transmis
à 44 kilomètres (27 miles) à travers un réseau de
fibre optique.
La place de la France dans cette course au quantique
La France entend bien participer au développement des
technologies quantiques, et en devenir un puissant acteur.
Un budget d'1.8 Milliard d'euros est prévu
d'être alloué dans les domaines de la recherche, de l'industrie et
de la formation aux technologies quantiques.
Selon Monsieur Emmanuel Macron « Le quantique fait
partie des quelques clés du futur que la France doit avoir en main
». La France compte déjà des scientifiques,
ingénieurs et indépendant se consacrant à l'étude
des technologies quantiques. Nous aurions toutes les cartes en main pour
assurer une
28
souveraineté et une indépendance en la
matière, seul un besoin budgétaire est requis pour permettre
l'évolution de la R&D quantique.
Afin de concurrencer Les États-Unis et la Chine, la
France compte bien coopérer avec le reste de l'Europe. Des programmes de
financement sont également prévus pour nos voisins
européens tels que l'Allemagne, l'Angleterre ou encore les Pays-Bas. La
France espère des résultats concrets en 2026, notamment
l'achèvement d'un ordinateur quantique entièrement
fabriquée et assemblée sur notre territoire. Cette
expérience tente de démontrer deux points:
· L'état superposé ne peut pas exister
à une échelle macroscopique. En fait, il est impossible d'avoir
un chat à la fois mort et vivant.
· La mesure a en effet changé l'état du
système, il est dans un état de superposition quantique, et est
maintenant dans un état défini.
L'existence de cette superposition d'états montre
clairement qu'après une certaine étape de miniaturisation, les
calculs classiques à base de bits ne peuvent plus être
utilisés. Sans valeurs stables de 0 et 1, le résultat ne peut
être garanti, ce qui va à l'encontre des principes de base du
calcul. Cependant, il est possible d'utiliser le fait qu'il y a à la
fois 0 et 1 en même temps pour calculer la possibilité de deux
valeurs en même temps. C'est là qu'intervient l'informatique
quantique.
Les secteurs visés Quantum Cloud
Azure Quantum
Le 1er février 2021, Microsoft a lancé Azure
Quantum en avant-première (version beta), rendant sa plateforme de cloud
computing quantique accessible à tous
Azure Quantum est un service fourni par Microsoft via son
cloud Azure. Le service comporte deux parties différentes,
l'informatique quantique et l'optimisation. Les deux peuvent être
déployés en créant des ressources Quantum Workspace dans
Azure.
Avec l'informatique quantique Azure, nous pouvons utiliser le
langage de programmation Q# et
QDK (Quantum Development Kit) pour développer des
algorithmes quantiques. Q# et QDK sont tous deux open source. QDK comprend des
bibliothèques spécifiques pour la
chimie, l'apprentissage automatique et le calcul quantique.
Nous pouvons utiliser nos outils préférés : Visual Studio,
VS Code et Jupyter Notebooks. Les algorithmes mis en oeuvre peuvent être
exécutés à petite échelle à l'aide du
simulateur QDK local, ou il est possible de télécharger sur le
cloud en tant que tâches à l'aide de l'espace de travail
Quantum.
29
Quantum Gaming
Grâce aux jeux vidéo, il est devenu possible de
découvrir les limites des systèmes informatiques, ce qui a
également contribué à l'amélioration des premiers
jeux vidéo pour PC quantiques, les jeux vidéo sur les
systèmes informatiques quantiques. Tant du côté d'IBM
Quantum que de Microsoft, des didacticiels simples et faciles à
utiliser, avec des facteurs ludiques, ou même des didacticiels sur la
création de jeux vidéo et de différents logiciels sur des
systèmes informatiques quantiques ont également vu le jour. Les
premiers essais de jeux vidéo sur des systèmes informatiques
quantiques ont été réalisés en 2017 sur le premier
dispositif IBM Quantum accessible au public, à l'aide du kit
d'amélioration de la machine récemment lancé, le Project
Q. Adapté pour correspondre à l'électricité des
qubits disponibles à l'époque, le jeu « Cat/Box/Scissors
», inspiré du « Pierre/Feuille/Ciseaux », fut le premier
jeu fonctionnant sur un ordinateur quantique.
Ce jeu s'inspire des règles du classique «
Pierre/Feuille/Ciseaux », mais avec une dimension hasardeuse
apportée par le quantique.
Un autre jeu a été développé,
« Quantum Battleship ». Ce dernier est capable d'englober plus
clairement les phénomènes quantiques d'intrication entre qubits
et de cohérence dans un qubit, car ces derniers contenaient une grande
quantité de bruit. Ces deux jeux vidéo étaient
entièrement jouable en ligne de commande.
Un ordinateur quantique est capable de créer à
l'avance certains types de données souhaitées pour un jeu, ce qui
donne par conséquent la possibilité de développer un jeu
quantique qui pourrait être plus rapide et plus réactif qu'un jeu
classique exécuté sur un ordinateur quantique. Cela a conduit
à l'amélioration du Quantum Solitaire, un jeu de cartes sur
Internet développé à l'aide d'Unity. Dans ce jeu, le
caractère aléatoire est généré de
manière traditionnelle, mais en se basant totalement sur les
possibilités calculées à partir d'un prototype de PC
quantique.
Ainsi, même si le jeu fait appel à la
non-localité quantique à un moment donné, il est
régi par un exemple où ce phénomène a
été mis en oeuvre de manière honnête. Dans ce jeu,
l'objectif consiste à rassembler toutes les cartes rouges et noires en
utilisant le moins de tours possible. Ici, le participant peut également
utiliser l'expertise de la mécanique quantique pour tirer des
conclusions sur les combinaisons possibles afin de tirer les meilleures
combinaisons de cartes à jouer qui offrent les meilleures chances de
succès.
Médecine & santé
Le domaine de la santé serait l'un des secteurs les
plus friands des technologies quantiques ; des modélisations d'atomes de
molécules seront possibles avec la puissance de calcul d'un ordinateur
quantique. Ces dernières pourront servir à l'élaboration
de nouveaux procédés médicaux, à la
30
conception de médicaments. Des maladies comme Alzheimer
ou Parkinson seront peut-être curables notamment grâce à
l'apport technologique qu'offre les technologies quantiques.
L'amélioration de la puissance de calcul pourra
également permettre d'apporter des soins plus personnalisés aux
patients. Les modèles de facteurs de risques déjà
existants, qui permettent de définir les antécédents
médicaux d'un patient et ainsi estimer le risque de développer
certaines maladies, seront plus complets et précis.
Au cours des deux dernières décennies, le
domaine de l'information et de l'informatique quantiques a progressé au
point que l'on peut théoriquement démontrer que les ordinateurs
quantiques peuvent exploiter des effets quantiques tels que l'intrication et la
superposition quantiques pour résoudre des problèmes de calcul
qui sont actuellement insolubles par toute méthode conventionnelle. Des
machines à résoudre, y compris les superordinateurs les plus
puissants actuellement disponibles.
La médecine deviendra de plus en plus performante au
fil du temps, à mesure que la quantité de données
biologiquement pertinentes disponibles et que la puissance et les
méthodologies de calcul augmentent. À cet égard, il existe
une marge d'amélioration considérable grâce à
l'utilisation de puissants outils de théorie des réseaux, tels
que ceux développés dans les domaines de la
géométrie des réseaux et des algorithmes quantiques.
Machine Learning et Intelligence artificielle
Le machine learning est devenu un concept utilisé dans
des environnements traitant de fortes quantités de données. Les
algorithmes quantiques d'apprentissage automatique peuvent être
classés selon qu'ils suivent une approche tolérante aux pannes,
une approche à court terme ou une combinaison des deux.
Les modèles quantiques peuvent produire des
corrélations qui sont difficiles à représenter de
manière classique. Toutefois, ces derniers sont confrontés
à de nombreux défis, tels que la capacité d'apprentissage,
la précision et les performances, qui doivent être relevées
afin de maintenir les espoirs d'un avantage quantique à l'échelle
de ces dispositifs quantiques à court terme.
Cependant, l'apprentissage automatique quantique semble
très prometteur pour trouver des améliorations et des
accélérations afin de renforcer considérablement les
capacités actuelles.
Les systèmes équipés d'algorithmes
d'intelligence artificielle ont la particularité de traiter
d'énormes quantités de données à très grande
vitesse. Les systèmes d'IA ont particulièrement besoin des
technologies quantiques qui leurs permettront de considérablement
améliorer la vitesse de traitement des données.
31
Automobile
Les constructeurs l'ont bien compris, les voitures autonomes
semblent toutes disposées pour profiter de la puissance des algorithmes
quantiques.
Ces derniers pourraient permettre notamment de faire
évoluer les points suivants :
· Sécurité et fiabilité :
L'informatique quantique peut résoudre les problèmes de
sécurité et de fiabilité des voitures à conduite
autonome. L'informatique quantique contribue à faciliter ce parcours,
car les voitures à conduite autonome ont encore un long chemin à
parcourir avant leur commercialisation.
· Congestion du trafic : L'informatique quantique
réduit les embouteillages en analysant les données des capteurs
des voitures autonomes et garantit l'optimisation des itinéraires.
· Entraînement des algorithmes : Vous pouvez
utiliser l'informatique quantique pour entraîner les algorithmes de
conception des véhicules autonomes afin d'améliorer la
sécurité et le rendement énergétique.
· Recherche & Développement : L'informatique
quantique peut également aider les acteurs de l'automobile à
passer à l'ère du véhicule électrique, notamment en
stimulant la recherche et le développement de nouvelles technologies.
· Efficacité énergétique : Les
ordinateurs quantiques peuvent être utilisés lors de la conception
des véhicules pour obtenir diverses améliorations, notamment : B.
Minimiser la traînée et améliorer le rendement
énergétique. L'informatique quantique n'en est encore qu'à
ses débuts, mais elle s'est déjà
révélée bénéfique pour les voitures à
conduite autonome.
Finance
De nombreux cas d'utilisation financière exigent la
capacité d'évaluer un large éventail de données.
Afin d'y parvenir, les institutions financières utilisent des
modèles statistiques et des algorithmes pour prédire les
résultats futurs. Ces techniques sont assez efficaces mais pas absolues.
Dans un monde où d'énormes quantités de données
sont générées quotidiennement, les ordinateurs capables
d'effectuer des calculs prédictifs avec précision deviennent un
besoin majeur.
C'est pourquoi certaines institutions financières se
tournent vers l'informatique quantique, qui promet d'analyser de grandes
quantités de données et de calculer des résultats plus
rapidement et avec plus de précision qu'un ordinateur classique.
32
Conquête de l'espace.
Observation et gravité
L'Agence Spatiale Européenne (ESA) croit en la
puissance de l'informatique quantique, et à l'intention de l'exploiter
dans le cadre de leurs missions, notamment durant les phases de surveillance et
l'analyse de la Terre.
Compte tenu du réchauffement climatique, l'observation
de la Terre est peut-être l'activité scientifique la plus
importante de notre époque. Aujourd'hui, l'étude des
phénomènes de transport de masse à l'échelle
planétaire à l'aide de la gravimétrie par satellite
fournit des informations importantes sur l'évolution de notre
planète et le changement climatique en améliorant notre
compréhension de la distribution de l'eau et de ses changements. Plus
récemment, la mission gravimétrique « Grace »
menée par la NASA a permis de découvrir que la température
de l'eau dans les crevasses des profondeurs de l'océan n'a pas
changé au cours des dernières décennies. Aujourd'hui, elle
est utilisée comme système d'alerte aux inondations et aux
sécheresses dans le Midwest américain, important sur le plan
agricole, et dans les forêts tropicales congolaises.
Toutefois, il a été démontré que
les mesures classiques ne peuvent être poussées plus loin en
raison des limites de nos moyens techniques. Les capteurs quantiques offrent
une stabilité à long terme bien supérieure et une plus
grande sensibilité. Pour cette raison, ces derniers sont
déjà officiels, et permettront d'améliorer notre
capacité à observer la Terre.
Le développement et le déploiement d'une
infrastructure de communication quantique (QCI) avec des composantes terrestres
et spatiales est également l'une des priorités de la Commission
européenne, qui s'efforce de faire entrer l'Europe dans l'ère
quantique.
L'initiative quantique "EuroQCI" (European Quantum
Communication Infrastructure) vise à faire mûrir de nouvelles
technologies qualifiées pour l'espace.
L'UE veut assurer des communications spatiales
ultra-sécurisées et à chiffrement quantique entre les
institutions nationales et les infrastructures critiques dans toute l'Union
Erupéenne. Par conséquent, la définition des cas
d'utilisation et de l'infrastructure QCI associée, le soutien à
la R&D pour faire mûrir la technologie, ainsi que la
définition et le lancement d'un banc d'essai sont des étapes
importantes du déploiement de QCI. Le développement de la
technologie nécessaire pour faire d'EuroQCI une réalité
contribuera à renforcer les capacités scientifiques et
technologiques de l'Europe en matière de cybersécurité et
de technologies quantiques. Il permettra également d'améliorer la
souveraineté numérique et la compétitivité
industrielle de l'Europe.
33
Optique
L'informatique quantique pourrait également permettre
une augmentation de la fréquence fondamentale du domaine des ondes radio
au domaine optique (oscillateur optique stable et peigne de fréquence)
et du développement d'horloges optiques (contrôle d'état
quantique). Le décalage de fréquence a déjà
été démontré sur la liaison terrestre par un
câble en fibre optique de 920 km de long.
Cette étape est cependant dépendante de
l'évolution en parallèle de la technologie laser car cette
dernière, si trop vétuste, ne permettra pas d'exploiter
pleinement les nouveaux standards quantiques en matière d'optique.
L'utilisation des avancées technologiques apportera
des améliorations dans la qualité des applications existantes ou
permettra la construction d'architectures de systèmes plus efficaces.
Les services de diffusion de temps et de mesures bénéficieront
d'améliorations en direct à trois grands niveaux. Les horloges
spatio-temporelles de haute précision fourniront une base de temps
sûre et indépendante pour le chronométrage mondial.
Mesure du temps et de la fréquence (TFT)
TFT est à la base de nombreuses applications sociales
modernes à haute valeur ajoutée. Les techniques de base du TFT
sont maintenant bien établies, permettant des services dans les domaines
des communications, des mesures et du système mondial de localisation
par satellite (GNSS). Avec la disponibilité des horloges atomiques
optiques et de la transmission de fréquence optique, QT permet
d'augmenter les performances des TFT à plusieurs niveaux.
Ces performances accrues permettent de répondre aux
besoins croissants en communications (horodatage) et GNSS
(géolocalisation), tout en permettant de nouvelles applications
(géodésie, observation des ondes gravitationnelles, optique
à ouverture synthétique). Une composante spatiale pertinente pour
les applications avancées en permettant la transmission sur de longues
distances, une sécurité avancée et une
disponibilité globale.
L'informatique quantique et les techniques de
modélisation des données par apprentissage automatique peuvent
permettre aux institutions financières d'identifier les risques
potentiels avec une plus grande précision. Les institutions
financières devraient se préparer en étudiant
l'utilisation de protocoles quantiques sécurisés et,
potentiellement, de la cryptographie quantique, chacun ayant ses propres
possibilités d'utilisation dans la couche réseau.
34
PROBLÉMATIQUE
De telles avancées technologiques ne
représenteraient-elles pas un danger pour l'ensemble de
l'humanité ?
35
