Informatique quantique

Conclusion

L'avènement de l'informatique quantique pourra permettre d'une part d'améliorer les performances de nos appareils, applications ou encore sites internet grâce à l'implémentation d'algorithmes quantiques en leur sein permettant de démultiplier la vitesse de calcul et de compilation des données traitées, et d'autre part de renforcer leur sécurité via l'implémentation d'algorithmes quantiques, qui se veulent plus durs à casser.

De nombreux domaines pourront bénéficier de ces évolutions, notamment l'informatique, la médecine, la finance ou encore l'automobile.

Les algorithmes ne sont pas les seuls axes de progrès quantique, le matériel compatible avec ces derniers doit également être développé afin de permettre à ces algorithmes de pleinement fonctionner.

Une telle évolution présente cependant des risques majeurs. Bien que les algorithmes quantiques puissent permettre d'assurer plus efficacement la protection de nos données que les algorithmes couramment utilisés aujourd'hui, nous pouvons imaginer des attaques informatiques embarquant du quantique verrons le jour, et ces dernières pourront potentiellement venir à bout de ces nouveaux standards. La transition vers le tout-quantique prendra du temps, notamment au sein des entreprises, qui seront les premières entités exposées à ce risque.

Les pays ayant à disposition des technologies quantiques auront inévitablement le dessus sur ceux qui n'en jouissent pas. Une fracture pourra se créer et cette dernière pourrait attiser des tensions et déclencher des conflits internationaux.

L'Europe, et notamment le France, ont bien compris les enjeux et s'attèlent actuellement à développer leur autonomie quantique en allouant un budget conséquent à la recherche, la formation et le développement d'infrastructures adaptées. L'Europe agit comme un bloc soudé qui travaille en coopération afin d'évoluer le plus rapidement possible.

Les États-Unis ainsi que la Chine sont deux autres sérieux acteurs qui investissent de grandes sommes d'argent afin de parvenir à cette autonomie, voire suprématie quantique.

Un cadre légal doit également être défini, afin d'encadrer la production, l'utilisation et l'implémentation de ces technologies.

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Bibliographie commentée

Ouvrages

« Gribbin, John, Christelle Rollinat, et Flammarion. Le chat de Schrödinger: physique quantique et réalité. Paris: Flammarion, 2010. »

Cet ouvrage constitue une introduction à la mécanique quantique. L'auteur nous expose les célèbres théories quantiques du XXème siècle de , d'une manière objective, neutre et chronologique. Cet ouvrage, bien que légèrement technique si l'on se trouve être un novice, aborde de manière simplifiée la mécanique quantique, notamment les connaissances qui étaient admises au 19^ème et 20^ème siècle concernant le fonctionnement des atomes (électrons protons), ainsi que la projection et la réception des rayons lumineux. Il y est principalement développé l'expérience imaginaire du chat de Schrödinger, élaborée par le physicien allemand Erwin Schrödinger, qui avait pour but de répondre à l'interprétation de Copenhague, également développée dans cet ouvrage. L'auteur nous présente également le paradoxe EPR, qui a amené à l'élaboration des Etats de Bell, puis aux travaux de recherche du physicien français Alain Aspect.

« Ezratty, Olivier. « Comprendre l'informatique quantique », s. d. Edition 2020 »

L'auteur aborde la question de l'informatique quantique d'une manière bien plus généraliste. Il met en avant le travail de recherche de nombreuses entreprises, que ce soit les géants de l'informatique, mais également les PME et les startups. Le rapport avec la chimie est également abordé, notamment en nous exposant la théorie de la mécanique quantique relativiste de Paul Dirac. Ce livre n'est pas facilement accessible, des connaissances en mathématiques, notamment en algèbre, seront d'une grande aide lors de la lecture, mais aussi en physique et en chimie. L'auteur aborde un très grand nombre de sujet (cryogénie, métrologie, MBQC, polaritons, domotique science-fiction, philosophie...). La question de l'écologie est également soulevée.

Cet ouvrage se veut technique et informatif. Il aborde un grand nombre de domaines susceptibles d'être impactés par l'avènement de l'informatique quantique. Un grand nombre de schémas est cependant introduit afin d'aider à la compréhension, et de permettre de visualiser plus facilement certains phénomènes

« Gisin Nicolas, « L'impensable Hasard », 2012 »

Ouvrage rédigé par Gisin Nicolas, Physicien Théoricien. Le phénomène de téléportation quantique y est beaucoup abordé, notamment le principe de non-localité, et de ses applications en termes de cryptographie. Le principe d'intrication quantique est également abordé, ainsi que la manière dont la

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physique quantique, de manière générale, défie notre perception de la réalité, au point de la remettre en question et de nous pousser à sortir des sentiers battus de nos connaissances et certitudes.

Ce livre cherche à apporter au lecteur une réelle compréhension des sujets abordés, de par l'approche « vulgarisante » des concepts présentés. Il est donc aisé de lire cet ouvrage, même pour un néophyte. En effet, cet ouvrage m'a permis de m'introduire au concept de téléportation quantique, tout en m'aidant à pousser mes connaissances théoriques sur la cryptologie quantique.

Cette oeuvre m'a été pour moi la plus importante des 3 ; la préface réalisée par Alain Aspect rend cet ouvrage incontournable, de par la crédibilité qu'il inspire.

Articles scientifiques

« NICT - Quantum Network White Paper, Avril 2021 »

Le NICT « National Institute of Information and Communications Technology » présente les travaux que l'institut prévoit de réaliser en termes de réseaux quantiques jusqu'en 2035.

Un constat des lacunes en termes de cryptographie y est exposé, ainsi que le besoin toujours grandissant de la population mondiale en matière d'électronique, et part extension d'Internet.

Une prédiction de ce que pourrait apporter les réseaux quantiques est faite tout au long de l'article, dans les domaines de la médecine, la finance, l'administration, l'aéronautique, la vie de tous les jours....

Les usages gouvernementaux, professionnels et personnels sont abordés de manière séparée, ce qui aide à délimiter la portée que pourrait avoir ces nouvelles technologies

Cet article se veut objectif et réaliste, cet article constitue un programme de ce que souhaite accomplir l'institut jusqu'en 2035.

La recherche sur la distribution des clés quantiques (QKD) est beaucoup abordée, car elle constitue la technologie à apprivoiser afin de permettre la mise en place de la cryptographie quantique appliquée à l'échelle mondiale

«Schoute, Eddie, Laura Mancinska, Tanvirul Islam, Iordanis Kerenidis, et Stephanie Wehner. « Shortcuts to Quantum Network Routing ». ArXiv:1610.05238 [Quant-Ph], 17 octobre 2016. »

Cet article se veut être une introduction aux réseaux quantiques. Il est abordé les protocoles de routage quantiques, les corrections d'erreurs, les canaux et noeuds quantiques l'application de l'intrication quantique dans le domaine des réseaux, et surtout la nation de VQL (Virtual Quantum Link). Des schémas explicatifs nous aident à la compréhension, bien que des connaissances en mathématiques seront appréciables, voire indispensables afin de pouvoir exploiter l'intégralité de l'article.

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Il est présenté de véritables mises en applications de protocoles de routage quantique et leurs graphiques. Cet article traite de l'actuel et ne se projette pas dans le futur. Il expose nos connaissances déjà acquises, à la manière d'un tutoriel. Des comparatifs avec nos réseaux classiques sont également démontrés afin de comprendre la véritable puissance des technologies quantiques.

Cet article permet une réelle mise en situation, de par le caractère actuel des techniques et concepts démontrés. Nous ne sommes pas dans une simulation du futur, mais dans l'application actuelle de ces concepts.

«Caleffi, Marcello. « Optimal Routing for Quantum Networks ». IEEE Access 5 (2017) »

Cet article rédigé par Caleffi Marcello, professeur d'électronique, nous propose une démonstration mathématique des protocoles de routages. Les réseaux quantiques sont abordés ; des techniques de routage quantiques sont présentées, l'application de l'intrication quantique nous est également soumise. Une grande partie de l'article est consacrée au déplacement de l'information au sein d'un réseau quantique, de par l'analyse du déplacement des qubits au sein du réseau, le maintien de l'intrication malgré les perturbations rencontrées lors du cheminement. Des graphiques et théories d'optimisation des protocoles de routages nous sont également proposés.

Cet article pose certaines questions, et y répond par le biais d'explications accompagnées de schémas. Des théorèmes sont annotés et prouvés. Des connaissances en mathématiques seront appréciées afin de comprendre et exploiter l'intégralité de l'article.

La thématique portée sur les mathématiques est intéressante, cela permet une plus grande précision dans notre analyse, ainsi qu'une facilité à rédiger des prédictions et algorithmes justes, fiables et réalisables.

«Alexeev, Yuri, Dave Bacon, Kenneth R. Brown, Robert Calderbank, Lincoln D. Carr, Frederic T. Chong, Brian DeMarco, et al. « Quantum Computer Systems for Scientific Discovery ». PRX Quantum 2, n^o 1 (24 Février 2021)»

Cet article décrit le développement des ordinateurs quantiques, ainsi que leur potentielle application dans la vie de tous les jours, en analysant le besoin immédiat et futur (10 ans).

Il est abordé le besoin matériel des ordinateurs quantiques, mais aussi le besoin logiciel. Les périphériques externes, comme la borne wifi, sont également traités.

La virtualisation de qubits constitue une place importante du travail de recherche. Les problèmes récurrents que peuvent rencontrés un ordinateur quantique, comme le bruit, la nécessité d'utiliser des algorithmes quantiques, ou encore les besoins d'adaptation thermique sont pointés, cependant, des idées de résolution sont proposées.

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Une approche « DevOps » est soumise. Le développement des technologies quantiques ainsi que leur application demandent des connaissances de tous les domaines de l'informatique ; du développement en passant par le réseau, sans compter évidemment la contribution des connaissances en mathématique et physique. Des frameworks mathématiques sont également proposés et étudiés

« Bassman, Lindsay, Miroslav Urbanek, Mekena Metcalf, Jonathan Carter, Alexander F. Kemper, et Wibe de Jong. « Simulating Quantum Materials with Digital Quantum Computers ». ArXiv:2101.08836 [Quant-Ph], 1 février 2021. »

Cet article se concentre sur le côté matériel des ordinateurs quantiques (super conducteurs, matériel magnétique). Comment faire pour permettre aux algorithmes quantiques de fonctionner, ainsi qu'au qubits de voyager au sein d'un ordinateur quantique ? Il est abordé les différents aspects d'un qubit, notamment sa composition moléculaire, ses états, et ses interactions avec le reste du système quantique. Une comparaison des différents aspects, démontrant les avantages et inconvénients de chaque particularité est proposée.

Revues

«Sectigo® Official. « Quantum Cryptography & Encryption: What It Is & How It Works » 2021. https://sectigo.com/resource-library/quantum-cryptography. »

Cet article propose une introduction à la cryptographie quantique. Il y est abordé le principe de distribution de clé quantique (QKD), de certificats quantiques et la gestion de ces derniers au sein d'une entreprise. Il est également expliqué la raison pour laquelle la cryptographie quantique constitue un enjeu majeur pour les entreprises

Il est intéressant de se positionner dans une démarche d'évolution. Les systèmes de cryptographies quantique promettent une sécurisation des données accrue, mais le hacking quantique apparaitra très certainement. Des lors, les systèmes non-quantiques seront happés par la toute puissance de calcul des algorithmes de déchiffrage quantique

« La recherche française au coeur du Plan Quantique | CNRS ». https://www.cnrs.fr/fr/cnrsinfo/la-recherche-francaise-au-coeur-du-plan-quantique. »

Cet article démontre la volonté française de participer à la course aux technologies quantiques, afin d'assurer une indépendance en matière de technologies quantique.

Il est important de se constituer une place probante dans ce domaine ; Le quantique est une technologie d'avenir qui est importante de maitriser, de nombreux enjeux technologiques et monétaires apparaitront.

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Il est également démontré que la France n'est pas la seule nation mondiale, et même européenne, à vouloir assoir sa place. Une compétition est lancée, malgré le fait que des alliances seront possibles.

« designboom | architecture & design magazine. « NASA Scientists Achieve Long-Distance «Quantum Teleportation» », 22 décembre 2020. https://www.designboom.com/technology/nasa-long-distance-quantum-teleportation-12-22-2020/. »

Cet article est une news. La NASA a réussi à achever une téléportation quantique à longue distance (sur 44kms).

Une telle prouesse permet de valider des théories et concepts quantiques, et donnent de l'espoir à la généralisation de ce type de phénomène au sein de notre société.

Une brève introduction au principe de la téléportation quantique y est faite, ainsi qu'une mise en avant de cette dernière.

Cette prouesse constitue une étape dans le développement de technologies et réseaux quantiques. Une première expérience fonctionnelle ouvre des portes sur la recherche et l'amélioration du savoir-faire

« L, +Bastien. « Informatique quantique : tout savoir sur la révolution Quantum Computing ». LeBigData.fr (blog), 7 décembre 2020. https://www.lebigdata.fr/informatique-quantique-big-data. »

Cet article est une brève introduction à l'informatique quantique. Une fusion de cette dernière avec le Big Data est faite, démontrant les impacts et évolutions possibles dans le domaine de l'IA, notamment la modélisation chimique.

Il est également mis en évidence la supériorité des ordinateurs quantiques face aux supercalculateurs actuels.

La course au quantique entre les Etats-Unis et la Chine est également abordée. Il nous ait démontré les ambitions des deux nations, en nous précisant que la Chine rattrape son retard.

Ce type d'article, bien que peu technique, nous renseigne sur l'actualité et nous aide à nous positionner sur l'existant. Il m'a été utile de disposer de bases concrètes lors de ma rédaction

« IEEE Approves Standards Project for Quantum Computing Definitions ».

https://standards.ieee.org/news/2017/ieee p7130.html.

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La normalisation des technologies quantiques constitue également un enjeu. Cet article présente les normes à respecter dans le cadre des projets quantiques

Bien qu'étant une association, « L'IEEE Standards Association (Institute of Electrical and Electronics Engineers) » assure historiquement l'application de normes. Le périmètre juridique de l'informatique quantique reste encore à définir, afin d'assurer la protection des usagers, en matière de protection des données, du droit d'auteur.

«IBM Research Blog. « IBM's Roadmap For Scaling Quantum Technology », 15 Septembre 2020. https://www.ibm.com/blogs/research/2020/09/ibm-quantum-roadmap/. »

Le géant américain IBM entend bien se faire une place dans la course au quantique. L'entreprise est considérée comme un pionnier des technologies quantiques, de part leur investissement financier et humains dans la recherche quantique depuis maintenant 20 ans.

IBM a publié une feuille de route, démontrant leurs intentions de production, et surtout d'intégration de nombre de qubit dans un ordinateur quantique. Une prédiction jusqu'en 2023 est faite de manière précise, mais une estimation des besoins futurs est tout de même faite.

L'article fait état de l'existant, précisant que la technologie doit évoluer pour pouvoir atteindre leur objectif

«Microsoft Opens up Its Azure Quantum Platform for Public Preview» Feb 16, 2021» https://www.infoq.com/news/2021/02/azure-quantum-preview/

Le Cloud Computing est également un secteur visé par l'informatique quantique. Microsoft a rendu publique sa plateforme de Cloud Computing, permettant d'exploiter leurs librairies applicatives, mais également un langage de programmation « Q# » permettant de rédiger des algorithmes quantiques.

Il est intéressant de multiplier les cas d'usages de l'informatique quantique, afin de mieux se rendre compte des possibilités offertes

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