La transformation numérique change le monde plus rapidement que jamais. L'apprentissage des concepts clés de l'ère numérique deviendra encore plus critique avec l'arrivée imminente d'une autre nouvelle vague technologique capable de transformer les modèles existants avec une rapidité et une puissance étonnantes : l'informatique quantique.
Dans cet article, nous comparons les concepts de base de l'informatique traditionnelle et de l'informatique quantique, et commençons également à explorer leur application dans différents domaines.
Que sont les propriétés quantiques ?
Tout au long de l'histoire, les humains ont développé la technologie au fur et à mesure qu'ils en sont venus à comprendre le fonctionnement de la nature grâce à la science. Entre les années 1900 et 1930, l'étude de certains phénomènes physiques encore mal compris a donné naissance à une nouvelle théorie physique : la Mécanique Quantique. Cette théorie décrit et explique le fonctionnement du monde microscopique, l'habitat naturel des molécules, des atomes et des électrons.
Non seulement elle a pu expliquer ces phénomènes, mais elle a aussi permis de comprendre que la réalité subatomique fonctionne de manière totalement contre-intuitive, presque magique, et que des événements se déroulent dans le monde microscopique qui ne se produisent pas dans le monde macroscopique.
Ces propriétés quantiques comprennent la superposition quantique, l'intrication quantique et la téléportation quantique.
- Superposition quantique décrit comment une particule peut être dans différents états en même temps.
- Enchevêtrement quantique décrit comment deux particules peuvent être amenées à un état «intriqué» et, après cela, répondre presque simultanément de la même manière, malgré leur distance physique. En d'autres termes, ils peuvent être placés aussi loin l'un de l'autre que souhaité et, lorsqu'ils interagissent avec l'un, l'autre réagit à cette même interaction.
- Téléportation quantique utilise l'intrication quantique pour envoyer des informations d'un endroit de l'espace à un autre sans avoir besoin de voyager dans l'espace.
L'informatique quantique est basée sur ces propriétés quantiques de nature subatomique.
Dans ce cas, la compréhension actuelle du monde microscopique grâce à la mécanique quantique nous permet d'inventer et de concevoir des technologies capables d'améliorer la vie des gens. Il existe de nombreuses technologies différentes qui utilisent les phénomènes quantiques, et certaines d'entre elles, comme les lasers ou l'imagerie par résonance magnétique (IRM), existent depuis plus d'un demi-siècle.
Qu'est-ce que l'informatique quantique?
Pour comprendre le fonctionnement des ordinateurs quantiques, il est utile de commencer par expliquer comment fonctionnent les ordinateurs que nous utilisons au quotidien, appelés dans cet article ordinateurs numériques ou classiques. Ceux-ci, comme tous les autres appareils électroniques tels que les tablettes ou les téléphones portables, utilisent des bits comme unités fondamentales de mémoire. Cela signifie que les programmes et les applications sont codés en bits, c'est-à-dire dans un langage binaire de zéros et de uns.
Chaque fois que nous interagissons avec l'un de ces appareils, par exemple en appuyant sur une touche du clavier, des chaînes de zéros et de uns sont créées, détruites et/ou modifiées dans l'ordinateur.
La question intéressante est de savoir quels sont ces zéros et ces uns physiquement à l'intérieur de l'ordinateur ? Les états zéro et un des bits correspondent au courant électrique circulant ou non dans des pièces microscopiques appelées transistors, qui agissent comme des interrupteurs. Lorsqu'aucun courant ne circule, le transistor est "off" et correspond à un bit 0, et lorsqu'il circule, il est "on" et correspond à un bit 1.
Dans une forme plus simplifiée, c'est comme si les bits 0 et 1 correspondaient à des trous, de sorte qu'un trou vide est un bit 0 et un trou occupé par un électron est un bit 1. Maintenant que nous avons une idée du fonctionnement des ordinateurs d'aujourd'hui , essayons de comprendre comment fonctionnent les ordinateurs quantiques.
Des bits aux qubits
L'unité d'information fondamentale en informatique quantique est le bit quantique ou qubit. Les qubits sont, par définition, des systèmes quantiques à deux niveaux qui, comme les bits, peuvent être au niveau bas, ce qui correspond à un état de faible excitation ou énergie défini comme 0 ; soit au niveau haut, qui correspond à un état d'excitation supérieur ou défini comme 1.
Cependant, et c'est là que réside la différence fondamentale avec l'informatique classique, les qubits peuvent également se trouver dans un nombre infini d'états intermédiaires entre 0 et 1, comme un état moitié 0 et moitié 1, ou trois quarts de 0 et un quart de 1. Ce phénomène est connu sous le nom de superposition quantique et est naturel dans les systèmes quantiques.
Algorithmes quantiques : calcul exponentiellement plus puissant et plus efficace
Le but des ordinateurs quantiques est de tirer parti de ces propriétés quantiques des qubits, en tant que systèmes quantiques, pour pouvoir exécuter des algorithmes quantiques qui utilisent la superposition et l'intrication pour offrir une puissance de traitement bien supérieure à celle des algorithmes classiques.
Il est important de souligner que le véritable changement de paradigme ne consiste pas à faire la même chose que les ordinateurs numériques ou classiques -les actuels-, mais plus rapidement, comme le prétendent à tort de nombreux articles, mais plutôt que les algorithmes quantiques permettent d'effectuer certaines opérations. exécuté d'une manière totalement différente; qui est souvent plus efficace - c'est-à-dire en beaucoup moins de temps ou en utilisant beaucoup moins de ressources de calcul -.
Prenons un exemple concret de ce que cela implique. Imaginons que nous sommes à San Francisco et que nous voulons savoir quel est le meilleur itinéraire vers New York parmi un million d'options pour s'y rendre (N=1,000,000 1,000,000 XNUMX). Pour pouvoir utiliser les ordinateurs pour trouver la route optimale, il faut numériser XNUMX XNUMX XNUMX d'options, ce qui implique de les traduire en langage binaire pour l'ordinateur classique et en qubits pour l'ordinateur quantique.
Alors qu'un ordinateur classique aurait besoin de parcourir tous les chemins un par un jusqu'à ce qu'il trouve celui souhaité, un ordinateur quantique tire parti d'un processus connu sous le nom de parallélisme quantique qui lui permet, essentiellement, de considérer tous les chemins à la fois. Cela implique que l'ordinateur quantique trouvera la route optimale beaucoup plus rapidement que l'ordinateur classique, en raison de l'optimisation des ressources utilisées.
Pour comprendre les différences de capacité de calcul, avec n qubits on peut faire l'équivalent de ce qui serait possible avec 2n morceaux. On dit souvent qu'avec environ 270 qubits, vous pourriez avoir plus d'états de base dans un ordinateur quantique - plus de chaînes de caractères différentes et simultanées - que le nombre d'atomes dans l'univers, qui est estimé à environ 280. Autre exemple, on estime qu'avec un ordinateur quantique entre 2000 et 2500 qubits on pourrait casser pratiquement toute la cryptographie utilisée aujourd'hui (appelée cryptographie à clé publique).
En ce qui concerne la cryptographie, il y a de nombreux avantages à utiliser l'informatique quantique. Si deux systèmes sont purement intriqués, cela signifie qu'ils sont corrélés l'un à l'autre (c'est-à-dire que lorsque l'un change, l'autre change également) et qu'aucun tiers ne partage cette corrélation.
À emporter
Nous sommes à une époque de transformation numérique dans laquelle différentes technologies émergentes telles que la blockchain, l'intelligence artificielle, les drones, l'Internet des objets, la réalité virtuelle, la 5G, les imprimantes 3D, les robots ou véhicules autonomes sont de plus en plus présentes dans de multiples domaines et secteurs.
Ces technologies, destinées à améliorer la qualité de la vie humaine en accélérant le développement et en générant un impact social, progressent actuellement en parallèle. Nous ne voyons que rarement des entreprises développer des produits qui exploitent des combinaisons de deux ou plusieurs de ces technologies, telles que la blockchain et l'IoT ou les drones et intelligence artificielle.
Bien qu'ils soient destinés à converger et donc à générer un impact exponentiellement plus important, le stade précoce de développement dans lequel ils se trouvent et la rareté des développeurs et des personnes ayant une formation technique signifient que les convergences restent une tâche en suspens.
En raison de leur potentiel perturbateur, les technologies quantiques devraient non seulement converger avec toutes ces nouvelles technologies, mais aussi avoir une large influence sur la quasi-totalité d'entre elles. L'informatique quantique menacera l'authentification, l'échange et le stockage sécurisé des données, ayant un impact plus important sur les technologies dans lesquelles la cryptographie joue un rôle plus pertinent, comme la cybersécurité ou la blockchain.
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