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Ordinateur quantique vs classique

L’informatique quantique est l’art d’utiliser toutes les possibilités offertes par les lois de la mécanique quantique pour résoudre des problèmes de calcul. Les ordinateurs classiques (comme celui utilisé pour construire cette page) n’utilisent qu’un petit sous-ensemble de ces possibilités. Essentiellement, ils calculent de la même manière que les gens calculent à la main. Il y a beaucoup de résultats sur les choses merveilleuses que nous pourrions faire si seulement nous avions un ordinateur quantique assez grand. Le plus important d’entre eux est probablement que nous serions en mesure d’effectuer des simulations de processus de mécanique quantique en physique, chimie et biologie, qui ne seront jamais à la portée des ordinateurs classiques. Comparons certains aspects des ordinateurs classiques et quantiques

Ordinateurs classiques vs ordinateurs quantiques, Quelle est la différence ?

La base de toute informatique est une porte logique – un simple commutateur oui / non. Dans les ordinateurs modernes, une position du commutateur représente 0 ; l’autre représente 1. Votre ordinateur portable contient des milliards de ces portes, chacune commutant entre 1 et 0 milliard de fois par seconde.

Néanmoins, votre ordinateur a un handicap imposé par la physique classique. À tout moment, il ne peut y avoir qu’un seul état : une combinaison particulière de 1 et de 0 sur ces milliards de portes. Il doit parcourir une séquence d’états de ce type pour effectuer un calcul. Mais que se passe-t-il si, au lieu de cela, un grand nombre de copies de votre ordinateur pourrait exister de façon parallèle en parallèle, chacune représentant l’un de ces états possibles et effectuant collectivement l’ensemble du calcul simultanément ?

C’est essentiellement ce que la théorie quantique dit qu’il peut arriver. L’important est de réduire suffisamment les portes pour que la physique quantique, qui décrit le comportement d’objets extrêmement petits, prenne le relais de la physique classique. (Quelques portes quantiques se composent en un solo atome, fixé en place par des champs électriques et magnétiques.) Une porte aussi minuscule, appelée «qubit», peut exister comme une sorte de combinaison – appelée «superposition» – de 1 et 0. Un ordinateur composé de qubits existerait, dans un certain sens, dans toutes les combinaisons possibles de 1 et de 0 à la fois.

Les physiciens ont une interprétation différente. Certains pensent littéralement qu’il existe une myriade d’univers parallèles, chacun contenant une copie séparée de l’ordinateur ; certains ont une explication plus minimaliste. Mais le résultat est le même: en principe, il est possible de récolter les fruits de tous ces traitements parallèles pour obtenir un résultat plus rapidement, à un point tel que même les calculs les plus difficiles pourraient devenir pratiquement instantanés.

10 différences entre l’informatique classique et l’informatique quantique

Ordinateur classique

Ordinateur quantique

C’est un ordinateur polyvalent intégré à grande échelle (CPU) C’est un ordinateur parallèle haute vitesse basé sur la mécanique quantique.
Le stockage des informations est basé sur la tension / charge, etc. Le stockage d’informations est un bit quantique basé sur la direction d’un spin d’électron.
L’ordinateur fonctionne avec des bits dont la valeur est 0 ou 1. Les bits quantiques ou « qubits » sont similaires en ce sens que, pour des raisons pratiques, nous les lisons comme une valeur de 0 ou 1, mais ils peuvent également contenir des informations beaucoup plus complexes, voire des valeurs négatives. Avant de lire leur valeur, ils se trouvent dans un état indéterminé appelé superposition et peuvent être influencés par d’autres qubits (cela s’appelle un enchevêtrement). Qubits peuvent être

Nombre discret d’états possibles : 0 ou 1. Déterministe : des calculs répétés sur la même entrée conduiront à la même sortie.

Nombre infini (continu) d’états possibles.

Probabiliste : les mesures sur des états superposés donnent des réponses probabilistes (notre confiance en ces réponses se construit par des calculs répétés) puis réduites à 0 ou 1.

Le traitement de l’information est effectué par des portes logiques, par ex.  NOT, AND, OR, de manière séquentielle Le traitement de l’information est effectué par les portes logiques Quantum en parallèle
Seuls les résultats spécifiquement définis sont disponibles, intrinsèquement limités par la conception d’un algorithme Les réponses quantiques (appelées amplitudes en quantité) sont probabilistes, ce qui signifie

qu’en raison de la superposition et de l’enchevêtrement, plusieurs réponses possibles sont considérées dans un calcul donné.

Le comportement des circuits est régi par la physique classique. Le comportement des circuits est explicitement régi par la mécanique quantique.
Les opérations sont définies par l’algèbre booléenne. Les opérations sont définies par algèbre linéaire sur Hilbert Space et peuvent être représentées par des matrices unitaires avec des éléments complexes.
Aucune restriction sur la copie ou la mesure des signaux Des restrictions sévères existent sur les signaux de copie et de mesure
Les circuits sont facilement implémentés dans des technologies rapides, évolutives et macroscopiques telles que CMOS. Les circuits doivent utiliser des technologies microscopiques lentes, fragiles et non encore évolutives, par exemple. RMN (resonance magnétique nucléaire).

 

sommes-nous aujourd’hui?

Alors qu’Intel est en train de siphonner les puces traditionnelles avec des milliards de transistors, les chercheurs sur les pilotes de test du monde tentent encore de fabriquer une « puce » PC quantique avec plus d’un tas de qubits. Juste pour vous donner une idée de l’histoire de l’informatique quantique, c’était tout un défi quand IBM a récemment dévoilé le plus grand ordinateur quantique au monde avec une étonnante… attente… 50 qubits. Néanmoins, c’est un début et si quelque chose comme la loi de Moore s’applique aux ordinateurs quantiques, nous devrions en atteindre des centaines dans quelques années et des milliers dans quelques autres. Un milliard? Je ne voudrais pas retenir votre souffle, mais là encore, vous n’avez pas besoin d’un milliard de qubits pour surpasser les lumières du jour d’un ordinateur conventionnel dans certaines catégories clés, telles que la catégorisation de base, la modélisation moléculaire et une multitude de problèmes d’optimisation qui ne sont pas conventionnels.

Les ordinateurs quantiques de 2018

Tout l’équivalent, à partir du moment présent, à propos de chaque PC quantique est une entreprise folle de rats de laboratoire frénétiques de plusieurs millions de dollars qui lui ressemble. On les trouve généralement dans les départements de recherche et développement de grandes entreprises informatiques comme IBM, ou dans la branche de physique expérimentale de grandes universités de recherche, comme le MIT. Ils doivent être sur-refroidis à un cheveu au-dessus de zéro (ce qui est plus froid que l’espace intergalactique), et les expérimentateurs doivent utiliser des micro-ondes d’une fréquence précise pour communiquer avec chaque qubit de l’ordinateur individuellement. Inutile de dire que cela n’a pas d’échelle. Mais les tubes à vide des premiers ordinateurs classiques ne l’ont pas non plus, alors ne jugeons pas cette première génération avec trop de sévérité.

Miracle ou mirage

L’argument contre les ordinateurs quantiques

Le mathématicien Gil Kalai estime que les ordinateurs quantiques ne peuvent pas fonctionner, même en principe.

Il y a seize ans, par une froide journée de février à l’Université de Yale, une affiche a attiré l’œil de Gil Kalai. Il a annoncé une série de conférences de Michel Devoret, un expert bien connu des efforts expérimentaux en informatique quantique. Les discussions ont promis d’explorer la question «Ordinateur quantique : miracle ou mirage?», Kalai s’attend à une discussion animée sur les avantages et les inconvénients de l’informatique quantique. Au lieu de cela, il a rappelé, «la direction sceptique a été un peu négligée». Il a entrepris d’explorer lui-même cette vision sceptique.

Aujourd’hui, Kalai, mathématicien à l’université hébraïque de Jérusalem, est l’un des plus éminents d’un groupe informel de mathématiciens, physiciens et informaticiens, affirmant que l’informatique quantique, malgré toutes ses promesses théoriques, est un mirage. Certains prétendent qu’il existe de bonnes raisons théoriques pour lesquelles les entrailles d’un ordinateur quantique – les « qubits » – ne seront jamais en mesure d’exécuter de manière cohérente la chorégraphie complexe qui leur est demandée. D’autres disent que les machines ne fonctionneront jamais dans la pratique ou que, si elles sont construites, leurs avantages ne seront pas assez importants pour compenser les dépenses.

Kalai a abordé la question du point de vue d’un mathématicien et d’un informaticien. Il a analysé la question en examinant la complexité de calcul et, de manière critique, la question du bruit. Tous les systèmes physiques sont bruyants, soutient-il, et les qubits conservés dans des «superpositions» très sensibles seront inévitablement corrompus par toute interaction avec le monde extérieur. Réduire le bruit n’est pas seulement une question d’ingénierie, dit-il. Cela violerait certains théorèmes fondamentaux du calcul.

Kalai sait que son point de vue est minoritaire. Des sociétés comme IBM, Intel et Microsoft ont beaucoup investi dans l’informatique quantique ; Les investisseurs en capital de risque financent des startups en informatique quantique (comme Quantum Circuits, une entreprise créée par Devoret et deux de ses collègues de Yale). D’autres pays, notamment la Chine, injectent des milliards de dollars dans le secteur.

Quanta Magazine a récemment discuté avec Kalai de l’informatique quantique, du bruit et de la possibilité qu’une décennie de travail ne soit pas vérifiée dans quelques semaines. Une version condensée et modifiée de cette conversation suit.

Ordinateurs quantiques montrant le potentiel !

Au cours des dernières années, de grandes entreprises technologiques telles que IBM, Google, Microsoft, Intel et d’autres se sont affrontées pour démontrer la suprématie quantique, ou la preuve qu’un ordinateur quantique peut résoudre une tâche plus rapidement que n’importe quel supercalculateur sur Terre. Ce résultat n’a pas encore été atteint, mais Google pense que ce sera bientôt le cas.

Dans le même temps, IBM a montré dans cet article que les algorithmes quantiques peuvent en effet être plus rapides que leurs homologues classiques, mais cela ne signifie pas que le meilleur ordinateur quantique que nous ayons aujourd’hui puisse dépasser la rapidité de nos ordinateurs classiques les plus rapides, car les ordinateurs quantiques n’ont pas encore devenu assez puissants.

Le document a montré que les ordinateurs quantiques ont la capacité de résoudre certains problèmes de manière beaucoup plus efficace. Une fois qu’ils deviennent suffisamment puissants, ils pourront résoudre ces problèmes plus rapidement que n’importe quel autre ordinateur classique. Les ordinateurs classiques continueront probablement à résoudre d’autres problèmes, même à mesure que les ordinateurs quantiques évolueront, car tous les problèmes ne peuvent pas disposer d’une solution d’informatique quantique hautement parallélisée.

des doutes sur les ordinateurs quantiques ?

Au début, tout le monde était enthousiaste. Mais lors d’une conférence en 2002 de Michel Devoret intitulée «Ordinateur quantique : Miracle ou Mirage», on a eu le sentiment que la direction sceptique était un peu négligée. Contrairement au titre, le discours était tout à fait le discours habituel sur l’influence de l’informatique quantique. Le côté du mirage n’était pas bien présenté.

Qu’entendons-nous par «bruit» ?

Par bruit, on entend les erreurs dans un processus, et la sensibilité au bruit est une mesure de la probabilité que le bruit – les erreurs – affecte le résultat de ce processus. L’informatique quantique est comme n’importe quel processus similaire dans la nature – bruyant, avec des fluctuations aléatoires et des erreurs. Lorsqu’un ordinateur quantique exécute une action, à chaque cycle de l’ordinateur, il y a une probabilité qu’un bit soit corrompu.

Point de vue Maintenance informatique

Réparation des ordinateurs quantiques vs ordinateurs classiques.

Le défi de la maintenance auquel est confronté un ordinateur quantique consistera à réparer des ordinateurs. La réparation des besoins nécessite une connaissance approfondie du mécanisme de cet ordinateur de petite taille. De plus, de nombreuses petites et moyennes industries produisant des pièces d’ordinateur seront fermées, ce qui affectera l’économie de tous les pays.

Il y aura également de nombreux autres défis car les pièces doivent être standard, car il n’est pas possible de changer les pièces ni de les réparer plus souvent.

Conclusion

Bien que nous réalisions que les PC quantiques peuvent sans effort faire des choses qu’aucun PC classique ne peut rêver de faire, nous ne savons généralement pas comment ils les font. Si cela semble surprenant, étant donné que la première génération d’ordinateurs quantiques existe déjà, gardez à l’esprit le mot quantique. Nous utilisons la mécanique quantique pour résoudre des problèmes depuis un siècle maintenant et nous ne savons toujours pas comment cela fonctionne. L’informatique quantique, en tant que membre de la famille quantique, est dans le même bateau. Michael Nielsen (qui a essentiellement écrit le livre sur le sujet) a argumenté de manière convaincante que toute explication de l’informatique quantique était vouée à l’échec. Tout est considéré, comme l’a indiqué Nielsen, s’il y avait une clarification directe sur le fonctionnement d’un PC quantique. (C’est-à-dire quelque chose que vous pouvez imaginer), à ce stade, il pourrait être reproduit sur un PC conventionnel. Quoi qu’il en soit, dans le cas où il pourrait être reproduit sur un PC traditionnel, il ne pourrait pas s’agir d’un modèle exact d’un PC quantique, au motif qu’un PC quantique, par définition, fait ce qu’aucun ordinateur ordinaire ne peut faire.

Selon Nielsen, l’idée fausse la plus répandue qui met en scène un spectacle pour clarifier le calcul quantique est appelée parallélisme quantique. Puisque vous allez beaucoup entendre parler du parallélisme quantique, pourquoi ne pas y jeter un coup d’œil un instant. L’idée de base du parallélisme quantique est que les ordinateurs quantiques, contrairement à leurs homologues classiques, explorent tout l’éventail des résultats / solutions possibles en matière de calcul. Simultanément (c’est-à-dire en une seule opération), tandis que les ordinateurs numériques doivent avancer en regardant chaque solution dans l’ordre. Selon Nielsen, cette partie de l’histoire du parallélisme quantique est à peu près juste. Cependant, il critique vivement le reste de l’histoire, affirmant qu’après avoir examiné toute la gamme de solutions, les ordinateurs quantiques choisissent la meilleure. Maintenant, selon Nielsen, c’est un mythe. La vérité, insiste-t-il, est que ce que les ordinateurs quantiques, comme tous les systèmes quantiques, font en coulisse est tout à fait hors de notre portée. Nous voyons l’entrée et la sortie, et ce qui se passe entre les deux est scellé dans le mystère.

Nous avons la réputation d'être une société de services à valeur ajoutée avec une capacité démontrée a satisfaire et dépasser les attentes de nos clients en matière de disponibilité des systèmes, de réactivité, de temps de réparation, de cohérence et de professionnalisme.

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