L'informatique quantique – considérée comme la prochaine génération de calcul haute performance – est un domaine en évolution rapide qui reçoit une attention égale dans les universités et dans les laboratoires de recherche d'entreprise. Honeywell, IBM et Intel développent indépendamment leurs propres implémentations de systèmes quantiques, tout comme des startups telles que D-Wave Systems. Fin 2018, le président Donald Trump a signé la National Quantum Initiative Act qui prévoit 1,2 milliard de dollars pour la recherche et le développement quantiques.
La feuille de triche pour l'informatique quantique se positionne à la fois comme une introduction facilement digestible à un nouveau paradigme de l'informatique, ainsi que comme un guide vivant qui sera mis à jour périodiquement pour tenir les responsables informatiques informés des avancées de la science et de la commercialisation de l'informatique quantique.
Résumé
- Qu'est-ce que l'informatique quantique ? L'informatique quantique est une technologie en développement qui, selon les scientifiques, fournira des solutions informatiques plus rapides aux problèmes actuellement traités par les supercalculateurs.
- Pourquoi l'informatique quantique est-elle importante ? Théoriquement, les ordinateurs quantiques pourraient être utilisés pour casser la cryptographie RSA, qui est couramment utilisée sur Internet. L'informatique quantique a également le potentiel de résoudre des problèmes qui étaient auparavant considérés comme insolubles.
- Qui est concerné par l'informatique quantique ? Principalement des chercheurs travaillant en physique quantique, bien que les progrès de l'informatique quantique devraient influencer d'autres disciplines de la « logique floue », telles que l'intelligence artificielle (IA) et l'apprentissage automatique (ML).
- Quelles sont les opportunités commerciales liées à l'informatique quantique ? Toutes les industries bénéficieront de différents cas d'utilisation, car l'informatique quantique permet de consommer et de traiter les données plus rapidement tout en utilisant moins d'énergie.
- Quelles entreprises mènent la course à l'informatique quantique ? AWS, Google, Honeywell, IBM et Microsoft développent des capacités et des services d'informatique quantique. Intel construit des processeurs quantiques. De plus petites entreprises, dont 1QBit, D-Wave, IonQ et Rigetti Computing, travaillent également sur l'informatique quantique, y compris les dispositifs quantiques et les services quantiques.
- Qu'est-ce que l'informatique quantique en tant que service ? Les grandes entreprises technologiques et les startups travaillant dans le monde quantique se sont tournées vers le modèle « en tant que service » pour mettre cette nouvelle puissance de calcul à la disposition d'un public plus large.
- Quand sortiront les ordinateurs quantiques ? Des systèmes limités à un type spécifique de calcul quantique appelé recuit numérique sont disponibles dans le commerce, bien qu'il n'y ait pas encore d'avantage clair par rapport aux ordinateurs traditionnels.
- Comment obtenir un ordinateur quantique ? Plusieurs fournisseurs offrent un accès basé sur le cloud aux ordinateurs quantiques. Même s'il est possible d'acheter un système directement, son coût est probablement prohibitif, car les systèmes actuels ne sont utiles que pour les charges de travail spécialisées.
Qu'est-ce que l'informatique quantique ?
L'informatique quantique est une technologie émergente qui tente de surmonter les limites inhérentes aux ordinateurs traditionnels à transistors. Les ordinateurs à transistors reposent sur le codage des données en bits binaires, soit 0 ou 1. Les ordinateurs quantiques utilisent des qubits, qui ont des propriétés opérationnelles différentes. Bien qu'il soit possible d'encoder des données binaires dans un qubit, l'état naturel d'un qubit est essentiellement une superposition. Cette propriété permet aux qubits d'avoir des valeurs de 0 et 1 (ou des valeurs comprises entre 0 et 1) simultanément. De même, en raison des propriétés de la physique quantique, plusieurs mesures de qubits dans des états identiques ne renverront pas des résultats identiques. Les qubits peuvent également contenir jusqu'à deux bits de données binaires dans le cadre d'un processus appelé codage superdense.
En utilisant le calcul quantique, des tâches mathématiquement complexes qui sont actuellement généralement gérées par des superordinateurs – le repliement des protéines, par exemple – peuvent théoriquement être effectuées par des ordinateurs quantiques à un coût énergétique inférieur à celui des superordinateurs à transistors. Alors que les machines quantiques actuelles sont essentiellement des dispositifs de preuve de concept, les algorithmes qui seraient utilisés sur des machines prêtes pour la production sont actuellement testés, afin de garantir que les résultats sont prévisibles et reproductibles. Au stade actuel de développement, un problème donné peut être résolu à la fois par des ordinateurs quantiques et traditionnels (binaires). Au fur et à mesure que les processus de fabrication utilisés pour construire des ordinateurs quantiques sont affinés, il est prévu qu'ils deviendront plus rapides pour les tâches de calcul que les ordinateurs binaires traditionnels.
De plus, la suprématie quantique est le seuil auquel les ordinateurs quantiques sont théorisés pour être capables de résoudre des problèmes, que les ordinateurs traditionnels ne seraient pas (pratiquement) capables de résoudre. En pratique, la suprématie quantique fournirait une augmentation de vitesse superpolynomiale par rapport au meilleur algorithme connu (ou possible) conçu pour les ordinateurs traditionnels. Théoriquement, cela peut être démontré en utilisant l'algorithme de Shor pour la factorisation première, qui fournirait une telle augmentation de vitesse lorsqu'elle est effectuée sur un ordinateur quantique, car la factorisation est considérée comme généralement difficile avec les ordinateurs traditionnels (bien que cela ne soit pas prouvé , au sens scientifique). de “preuve”).
Les chercheurs utilisent le label NISQ (Noisy Intermediate-Scale Quantum Computing) pour décrire toutes les machines quantiques en fonctionnement actuellement ; cela signifie que les machines n'ont pas de correction d'erreur complète. Les chercheurs peuvent soumettre leurs requêtes quantiques à des services basés sur le cloud pour acquérir de l'expérience avec ce que les ordinateurs quantiques peuvent faire.
Un article de recherche publié dans Science en octobre 2018 intitulé « Avantage quantique avec des circuits peu profonds » a testé une variante du problème de Bernstein-Vazirani, dans laquelle les chercheurs ont prouvé qu'un ordinateur quantique avec une profondeur de circuit fixe surpassera un ordinateur classique utilisé pour calculer le même problème. Bien que cela n'établisse pas en soi la suprématie quantique, cela démontre le potentiel des ordinateurs quantiques, car les conceptions raffinées augmentent le nombre de qubits et la longueur de la cohérence quantique, permettant d'effectuer des calculs plus complexes.
Le volume quantique est une autre façon de mesurer les progrès de l'industrie, comme l'a expliqué Paul Smith-Goodson pour Forbes. Le volume quantique mesure plusieurs composants des performances d'un ordinateur quantique, notamment la cohérence, les erreurs d'étalonnage, la diaphonie, les erreurs du spectateur, la fidélité de la porte, la mesure et la fidélité. Le calcul tient également compte des éléments de conception de chaque machine. Un score de volume quantique indique la complexité d'un problème que l'ordinateur peut résoudre.
IBM a annoncé en août 2020 avoir atteint un volume quantique de 64 avec un système déployé par le client à 27 qubits. Honeywell a rapporté en juin 2020 qu'il avait atteint un volume quantique de 64 avec un système à 6 qubits.
La prochaine étape qui est encore dans quelques années est l'avantage quantique. Lorsque les ordinateurs quantiques atteindront ce jalon, les machines seront capables de résoudre des problèmes du monde réel que les ordinateurs classiques ne peuvent pas résoudre.
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Pourquoi l'informatique quantique est-elle importante ?
Théoriquement, les progrès de l'informatique quantique conduiraient à une percée dans la factorisation des nombres entiers. Si la factorisation d'entiers devenait triviale à effectuer, l'intégrité des systèmes de chiffrement couramment utilisés serait brisée, permettant à tout individu, organisation ou gouvernement ayant accès aux ordinateurs quantiques la possibilité de forcer brutalement les clés de déchiffrement, avec lesquelles les appareils verrouillés ou les archives chiffrées peuvent être rendue accessible. En raison des inquiétudes de la communauté de la cybersécurité quant à la viabilité des ordinateurs quantiques pour casser le cryptage, les recherches sur la cryptographie basée sur les réseaux – qui ne sont pas susceptibles d'être brisées par les ordinateurs quantiques – se sont multipliées.
À cette fin, en janvier 2014, des rapports indiquaient que la NSA avait dépensé 79,7 millions de dollars pour un programme intitulé «Pénétrer des cibles difficiles». Dans le cadre de ce programme, des recherches ont été menées pour construire « un ordinateur quantique cryptologiquement utile ». Les documents cités dans ce rapport indiquent que la NSA n'a pas eu sensiblement plus de succès que d'autres chercheurs. De même, le National Institute of Standards and Technology (NIST) a publié une demande en décembre 2016 demandant l'avis du public sur la manière de protéger les ordinateurs contre la menace que représentent les ordinateurs quantiques utilisés pour déchiffrer le chiffrement.
Il n'y a pas de consensus sur le moment où les ordinateurs quantiques seront capables de déchiffrer le cryptage. Dans une interview de mai 2018 avec , Bob Sutor, vice-président des solutions cognitives, blockchain et quantiques d'IBM Research, a estimé que les ordinateurs quantiques sont à 30-40 ans de casser les algorithmes cryptographiques traditionnels. Le même mois, Arvind Krishna, alors directeur de la recherche d'IBM et actuel PDG, a averti que “quiconque veut s'assurer que ses données sont protégées pendant plus de 10 ans devrait passer à d'autres formes de cryptage maintenant”.
L'informatique quantique devrait également avoir d'autres impacts significatifs en dehors du domaine de la cryptographie. En raison de la nature du calcul quantique, ils sont particulièrement bien adaptés aux soi-disant « problèmes d'optimisation », où il existe un nombre exponentiel de permutations à évaluer. Dans une interview avec , Andy Stanford Clark, IBM CTO pour le Royaume-Uni et l'Irlande a donné un exemple : “Si… vous optimisez les longueurs des itinéraires d'avions, ou optimisez la disposition des pièces de rechange pour un réseau ferroviaire, quelque chose où il y a 2n possibilités et vous devez essayer chacun afin de trouver la solution optimale. Si vous aviez un problème de 2100, qui serait fondamentalement impossible à résoudre sur un ordinateur classique, avec un ordinateur quantique de 100 qubits, vous seriez capable de le résoudre en une seule opération.
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Qui est concerné par l'informatique quantique ?
La recherche sur l'informatique quantique génère de nombreux investissements de la part des universités, des sociétés informatiques et du capital-risque. De multiples partenariats public-privé ont vu le jour alors que les entreprises travaillent avec les départements de recherche des universités pour trouver des cas d'utilisation où l'informatique quantique peut être appliquée aux opérations commerciales existantes.
Le réseau IBM Q est le plus grand d'entre eux, avec des universités participantes telles que l'Université d'État de Caroline du Nord, l'Université de Melbourne, l'Université d'Oxford et l'Université de Keio, et des entreprises participantes telles que Samsung, JPMorgan Chase, Mitsubishi UFJ Financial Group, Mizuho Financial Group et Mitsubishi Chemical. .
D'autres incluent une collaboration entre la société australienne Silicon Quantum Computing et l'organisme national français de recherche et développement (R&D), le Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA).
En décembre 2018, Trump a promulgué la National Quantum Initiative Act. Cela a établi le programme national d'initiative quantique, qui élaborera un plan de 10 ans pour accélérer le développement de la science et de la technologie de l'information quantique. La loi a également ordonné au Conseil national des sciences et de la technologie, à l'Institut national des normes et de la technologie, à la National Science Foundation et au ministère de l'Énergie de soutenir l'effort avec des initiatives connexes. La Maison Blanche a annoncé le Comité consultatif de la National Quantum Initiative en août 2020, qui comprend des personnes de l'Université de Chicago, Intel, Google, Sandia National Laboratories, Microsoft Research, Harvard University, Duke University et d'autres universités et instituts de recherche.
Toujours en août 2020, le Bureau de la politique scientifique et technologique (OSTP) de la Maison Blanche et le ministère de l'Énergie ont annoncé un financement pouvant atteindre 625 millions de dollars sur cinq ans pour soutenir cinq centres de recherche quantique dans des laboratoires nationaux à travers le pays.
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Quelles sont les opportunités commerciales liées à l'informatique quantique ?
L'informatique quantique a le potentiel de résoudre des problèmes complexes dans tous les secteurs – certains des premiers cas d'utilisation concerneront la finance, la chimie, la recherche pharmaceutique et la logistique. Les ordinateurs quantiques pourront analyser un nombre quasi infini de solutions possibles pour trouver les plus prometteuses. Avec la logistique, par exemple, un algorithme quantique pourrait analyser les itinéraires de livraison ou les horaires de transport pour identifier les itinéraires les plus efficaces ou les plus rapides. Une compagnie aérienne qui utilisait un ordinateur quantique pour la planification des itinéraires pourrait développer un avantage stratégique sur une autre qui ne le ferait pas. Denise Ruffner, responsable du développement commercial chez IonQ, a déclaré que l'industrie approchait de la fin de la phase d'adoption précoce. Il est maintenant temps de comprendre le potentiel de l'informatique quantique et de ses applications commerciales.
JPMorgan Chase a fait exactement cela – la société bancaire a été l'un des premiers clients de l'ordinateur quantique d'IBM. L'entreprise a également exploré la «culture quantique» et donné à l'ingénieur principal Constantin Gonciulea le temps de préparer l'entreprise à l'avenir quantique. Il s'attend à ce que l'informatique quantique soit entièrement commercialisée dans cinq à dix ans et prépare le terrain pour que JPMorgan Chase soit prêt à tirer parti de cette puissance de calcul – cela signifie lire des articles de recherche et rencontrer d'autres ingénieurs pour discuter des possibilités. La société de services financiers prévoit un programme Quantum Computing Summer Associates pour 2021 afin de créer un pipeline d'employés familiarisés avec la technologie.
Le directeur de recherche d'IBM, Dario Gil, a déclaré au CES 2020 que la promesse de l'informatique quantique est le pouvoir de modéliser les processus naturels et de comprendre leur fonctionnement. “Quantum est la seule technologie que nous connaissons qui modifie l'équation de ce qui est possible à résoudre par rapport à ce qui est impossible à résoudre”, a-t-il déclaré.
Jeannette Garcia, responsable principale des algorithmes et de la théorie des applications quantiques chez IBM Research, a partagé certains des problèmes du monde réel sur lesquels l'entreprise travaille :
- Amélioration du processus de fixation de l'azote pour la création d'engrais à base d'ammoniac
- De nouvelles classes d'antibiotiques pour contrer les bactéries multirésistantes
- De nouveaux polymères qui pourraient remplacer les composants à base d'acier
Garcia se concentre sur la recherche sur les batteries, qui fait également l'objet d'un nouveau partenariat IBM avec Daimler. Elle a déclaré que les chercheurs utilisent l'informatique quantique pour comprendre la chimie quantique.
Gil a déclaré que l'ère de la “préparation quantique” a commencé en 2016 et que la prochaine phase commencera lorsque la technologie s'améliorera suffisamment pour obtenir un “avantage quantique”.
“Tout d'abord, toute une génération de développeurs va devoir apprendre à programmer ces ordinateurs”, a-t-il déclaré. “Ensuite, lorsque nous atteindrons l'avantage quantique, nous serons en mesure de résoudre des problèmes du monde réel, et cela va absolument se produire cette décennie.”
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Quelles entreprises mènent la course à l'informatique quantique ?
IBM attire le plus l'attention pour son travail dans le secteur de la construction de machines quantiques et de la création d'une communauté autour de l'informatique quantique. Le travail quantique d'IBM s'articule autour de trois axes : accélérer la recherche, développer des applications commerciales, éduquer et préparer. Le réseau Q de la société comprend des entreprises du Fortune 500, des laboratoires de recherche nationaux, des universités et des startups. IBM a établi une feuille de route quantique en septembre 2020 avec des plans pour un système de 1 121 qubits en 2023.
Microsoft développe un écosystème quantique complet ainsi qu'un réseau quantique avec des partenaires comprenant des entreprises, des chercheurs, des universitaires et des développeurs. Le kit de développement quantique de la société comprend une boîte à outils open source, des environnements de développement et une communauté open source.
Honeywell a appliqué sa grande expérience du contrôle des systèmes pour développer un ordinateur quantique. L'entreprise utilise un modèle d'ions piégés pour son service d'informatique quantique. Ce modèle utilise des ions atomiques piégés dans le vide et refroidis par des lasers en tant que qubits. IBM et Google utilisent des qubits supraconducteurs dans leurs ordinateurs quantiques.
Le travail d'Intel dans le domaine de l'informatique quantique couvre l'ensemble de la pile, du développement des qubits et des algorithmes au contrôle de l'électronique et des interconnexions. Jim Clarke est le directeur du groupe de recherche sur le matériel quantique au sein d'Intel et membre du Comité consultatif national quantique. Fin 2019, Intel a publié une puce de contrôle cryogénique appelée “Horse Ridge”, d'après l'une des régions les plus froides de l'Oregon ; la société a affirmé que cela accélérerait le développement de systèmes quantiques à pile complète en partie en facilitant le contrôle de plusieurs qubits à la fois. Clarke a écrit à l'époque qu'un manque de recherche et de développement axé sur la technologie des contrôles allait limiter les progrès vers un système quantique à grande échelle. Simplifier le câblage de contrôle nécessaire pour travailler avec des milliers de qubits à la fois “pourrait amener l'aspect pratique quantique à la ligne d'arrivée beaucoup plus rapidement qu'il n'est actuellement possible”, comme l'a écrit Clarke. Intel travaille avec des chercheurs aux Pays-Bas pour construire ces contrôles.
Google développe des processeurs et des algorithmes quantiques pour résoudre des problèmes théoriques et pratiques – les domaines d'intérêt sont les processeurs qubit supraconducteurs, la météorologie qubit, la simulation quantique, l'optimisation assistée quantique et les réseaux de neurones quantiques. Google a construit deux frameworks open source pour prendre en charge l'informatique quantique : Cirq et OpenFermion. En octobre 2019, Google a annoncé que son ordinateur quantique Sycamore de 53 qubits avait effectué un calcul impossible à faire avec un ordinateur classique. D'autres scientifiques ont déclaré que le calcul avait été choisi pour s'appuyer sur les points forts d'un ordinateur quantique et les faiblesses d'un ordinateur traditionnel. En septembre 2020, Google a annoncé qu'une version 12 qubits de son ordinateur Sycamore avait simulé une simple réaction chimique.
En 2018, IBM a organisé un événement pour les startups de l'informatique quantique. Denise Ruffner y travaillait à l'époque et a déclaré qu'il était difficile de trouver 10 entreprises – il y a maintenant plus de 650 jeunes entreprises qui travaillent dans le secteur, a-t-elle déclaré.
D-Wave, 1Qbit, IonQ, Q-CTRL, Strangeworks, Xanadu et Zapata Computing relèvent tous un défi différent en informatique quantique. Sur ZDNet, Esther Shein a rassemblé huit grandes sociétés d'informatique quantique à surveiller.
Cambridge Quantum Computing est un autre membre de l'écosystème quantique. Avec IBM, la société a annoncé en septembre 2020 avoir construit un générateur de nombres aléatoires qui utilise l'informatique quantique.
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Qu'est-ce que l'informatique quantique en tant que service ?
Les grandes entreprises technologiques et les startups travaillant dans le monde quantique se sont tournées vers le modèle « en tant que service » pour mettre cette nouvelle puissance de calcul à la disposition d'un public plus large.
En avril 2020, IBM a signalé que 225 000 personnes utilisaient le service cloud Quantum Experience de l'entreprise. Plus de 100 entreprises paient pour son service premium IBM Q pour avoir accès aux experts en la matière de l'entreprise en plus de son matériel.
Rigetti a lancé ses Quantum Cloud Services en 2018. La société utilise une approche hybride quantique-classique avec ses services cloud pour prendre en charge une connectivité à très faible latence entre le matériel d'un client et les ordinateurs quantiques de Rigetti. Les API réseau de Rigetti permettent d'accéder aux principales fonctions du système d'exploitation quantique telles que l'authentification de l'utilisateur, l'autorisation de service système, la soumission de circuit, la planification de circuit, la gestion de la mémoire et la simultanéité.
Microsoft propose également un accès à l'informatique quantique via le cloud et Azure.
Amazon a lancé son service quantique, Braket, en août 2020. Amazon Braket permet aux clients d'expérimenter du matériel informatique quantique pour acquérir une expérience pratique de la technologie. Il s'agit d'un environnement de développement unique pour créer des algorithmes quantiques, les tester sur des ordinateurs quantiques simulés et les essayer sur plusieurs architectures matérielles quantiques. La plate-forme comprend des systèmes de D-Wave, IonQ et Rigetti. Amazon explore également les ordinateurs quantiques produits en série via son nouveau Center for Quantum Computing.
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Quand les ordinateurs quantiques seront-ils disponibles ?
Il y a deux réponses à cette question : Maintenant, et sensiblement loin dans le futur. La société canadienne D-Wave Systems vend un système Advantage de 5 000 qubits, que le laboratoire national de Los Alamos prévoyait d'installer cette année. La machine de D-Wave est un recuit quantique. Le recuit quantique est la meilleure approche pour les problèmes qui ont plusieurs “solutions assez bonnes”, par opposition aux problèmes qui ont une réponse idéale. L'approche de D-Wave ne pourra pas casser la cryptologie moderne, mais elle pourra trouver des moyens de faire voler les avions plus rapidement.
Fujitsu propose un recuit numérique “d'inspiration quantique”, qui est un ordinateur traditionnel à base de transistors conçu pour les tâches de recuit quantique. Cependant, Fujitsu ne commercialise pas ce système comme un véritable ordinateur quantique, car la conception traditionnelle à base de transistor lui permet de fonctionner à température ambiante sans nécessiter de solutions de refroidissement à base d'hélium, tout en le rendant résistant au bruit et aux conditions environnementales qui ont un impact sur les performances. dans les ordinateurs quantiques.
De manière générale, il est possible que l'informatique quantique soit une alternative viable à l'avenir aux solutions actuelles à base de transistors, bien que des encombrements non négligeables dans la fabrication et la fabrication de masse doivent être résolus pour que cela devienne une technologie viable pour l'industrie de masse. adoption. Parmi ces contraintes figurent la difficulté de construire des ordinateurs qui s'adaptent à plusieurs qubits, la capacité d'initialiser les qubits à une valeur prévisible et de faciliter les moyens par lesquels les qubits peuvent être lus.
Ressources additionnelles:
- Honeywell fait progresser l'informatique quantique avec la sortie du modèle de système H1
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Comment obtenir un ordinateur quantique ?
Un ordinateur quantique n'est pas quelque chose que vous trouverez dans votre magasin à grande surface local. Les ressources informatiques quantiques sont largement disponibles via des services cloud avec des cadres spécifiques aux fournisseurs. Les offres sont disponibles auprès d'IBM Q (via Qiskit), tandis que Google a introduit le framework Cirq, bien qu'il n'ait pas actuellement d'offre cloud en disponibilité générale. D-Wave Leap permet aux développeurs agréés de mener gratuitement des expériences quantiques sur son environnement de développement Leap Quantum. De même, Fujitsu offre un accès cloud à son système de recuit numérique.
Pour l'achat pur et simple de systèmes, le système 2000Q de D-Wave coûte 15 millions de dollars (les acheteurs notables incluent Volkswagen Group et Virginia Tech). Si vos charges de travail sont plus générales, la création et l'achat d'un déploiement POWER9 est probablement une meilleure valeur. Le supercalculateur SUMMIT du Oak Ridge National Laboratory est un système piloté par POWER9 et NVIDIA Volta prévu à 4600 nœuds, avec une performance de calcul supérieure à 40 téraflops par nœud.
NDLR : Cet article a été mis à jour par Veronica Combs.