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Eura techtrends#11 l'informatique_quantique

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Dans ce numéro d'EuraTech'Trends, zoom sur l'informatique quantique, sous-domaine de l'informatique qui traite des calculateurs quantiques utilisant des phénomènes de la mécanique quantique, par opposition à ceux de l'électricité exclusivement, pour l'informatique dite « classique ». Les phénomènes quantiques utilisés sont l'intrication quantique et la superposition. Les opérations ne sont plus basées sur la manipulation de bits dans un état 1 ou 0, mais de qubits en même temps dans un état 1 et 0.

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Eura techtrends#11 l'informatique_quantique

  1. 1. L a fameuse loi de Moore arrive-t-elle à son terme ? « La puissance des puces élec- troniques, à prix constant, double tous les deux ans » : expri- mée en 1965 par l’un des futurs fondateurs de Intel, ce qui n’était au départ qu’une prédiction s’est vérifiée pendant des décennies et a permis à l’informatique de se démocratiser. Aujourd’hui le mo- dèle semble pourtant avoir atteint ses limites physiques. La toujours plus importante miniaturisation des circuits, de 14 nanomètres actuellement à 10 voire 3 comme le prédisent certains experts, va entraîner des perturbations sur le comportement des électrons. C’est là où le monde quantique, au tra- vers des mécanismes de superpo- sition et d’intrication, entre en jeu en ouvrant les portes de l’infini- ment petit. Il offre surtout de nou- velles perspectives pour dépasser la loi de Moore et répondre aux en- jeux de l’informatique de demain. La superposition Les physiciens quantiques ont découvert que les particules constituant la matière ou la lu- mière avaient la propriété d’être simultanément dans deux états différents appelée la superposi- tion d’état. Cette propriété est le fondement du principe d’un qubit (quantum bit) et confère toute la puissance aux ordinateurs quan- tiques. Pour un ordinateur binaire (0 ou 1), il faut 249 cycles pour balayer la totalité des combinai- sons possibles de 49 bits ; pour un ordinateur quantique de 49 qbits qu’il n’en faut que 2 x 49 cycles ! Bien que cette quantifi- cation de la puissance d’un ordi- nateur quantique soit simpliste, elle donne une idée de l’énorme gap de puissance qui laisse espé- rer la possibilité de résoudre des problèmes jusqu’alors considérés comme insolubles. L’intrication Autre principe étonnant de la physique quantique : l’intrica- tion, un phénomène dans lequel deux particules (ou groupes de particules) ont des états quan- tiques dépendant l’un de l’autre quelle que soit la distance qui les sépare. Là où cela devient extraordinaire, c’est qu’elles n’ont pas besoin d’échanger des informations simplement parce qu’en fait elles ne forment qu’un unique système. Ce principe est utilisé pour créer des qubits et permettre la parallélisation de calculs quantiques. La décohérence Malheureusement, il existe un revers à la médaille, qui consti- tue un frein à la multiplication des qubits dans un ordinateur quantique, donc à sa montée en puissance : la décohérence. Plus l’objet superposé est com- posé d’un grand nombre de particules, qubits dans le cas d’un ordinateur quantique, plus les superpositions dispa- raissent rapidement, donc le temps disponible pour effectuer des calculs quantiques diminue. Certains physiciens ont même prouvé que le temps de cohé- rence du groupe de particules est inversement proportionnel au nombre de particules com- posant le groupe. L’avenir Toutes ces découvertes vont susciter autant l’enthousiasme que le scepticisme, d’autant que jusqu’aux années 1980, la compréhension est passive. À cette période, le contrôle quan- tique, grâce à la manipulation des atomes, va permettre dès lors la réalisation de tâches déterminées par les photons et autres électrons. Un physicien américain, Richard Feynman, va y voir alors une solution pour surpasser la loi de Moore. à très petite échelle, pourquoi ne pas utiliser les effets quantiques pour assurer une sorte de pa- rallélisme du calcul plutôt que d’en subir les effets ? L’informa- tique quantique était née. Dès les années 90, en associant à un ordinateur classique un circuit quantique de calcul. La fabrica- tion d’un ordinateur quantique, elle, nécessite pour le moment l’utilisation de techniques que l’on commence à peine à maî- triser et représente le prochain enjeu. E euratech trends Décembre 2017 Numéro #11 L' Informatique Quantique Introduction de la constance de Planck (h) et de la notion des quanta Einstein publie l’hypothèse des quanta de lumière Bohr introduit la notion de saut quantique Werner Heisenberg jette les bases de la mécanique quantique Albert Einstein, Boris Podolsky et Nathan Rosen mettent en évidence le phénomène d’intrication ou enchevêtrement quantique Dieter Zeh découvre le phénomène de décohérence Naissance de la théorie de l’informatique quantique avec notamment Richard Feynman et David Deutsch Dans sa publication « Quantum coding », Benjamin Schumacher emploie pour la première fois le terme qubit D-Wave commercialise son premier ordinateur quantique, the D-Wave OneTM IBM expérimente le QCaaS, Quantum Computing as a Service avec son projet IBM Q 1899 1905 1913 1926 1935 1970 80s 1995 2010 2017 *Repères chronologiques
  2. 2. S aviez-vous que le LASER de nos platines DVD uti- lise les atomes et leurs propriétés quantiques pour produire une lumière ? En fait, le monde quantique a déjà ouvert de nombreuses portes dans notre vie quotidienne. Un domaine est en particulier l’objet de nombreuses atten- tions : l’informatique quantique pour développer des moyens de calcul et de communication utili- sant la logique quantique. Dans un ordinateur classique, l’infor- mation élémentaire, le bit, ne peut adopter que deux valeurs, 0 ou 1, selon le passage ou non du courant électrique à travers un transistor. Dans un ordina- teur quantique, le bit quantique (ou qubit), peut se retrouver dans ces deux états en même temps grâce au phénomène de superposition. Mieux encore, deux qubits peuvent interagir du fait de l’intrication. Grâce à cela, un ordinateur quantique peut, en théorie, obtenir des résul- tats en une seule étape quand un ordinateur classique doit traiter l’information l’une après l’autre. « Avec 300 qubits, on peut faire 2300 calculs en même temps, explique Alexandre Blais, de l’université de Sherbrooke. Ce qui revient à dire que pour le même calcul complexe, là où un ordinateur classique mettrait 2300 secondes — un temps égal à plus de cinq fois l’âge de l’Uni- vers — son cousin quantique y passerait 600 secondes soit 10 minutes ». Les enjeux politiques L’informatique quantique, à dé- faut d’avoir atteint la fameuse « quantum supremacy », limite à laquelle l’ordinateur quantique dépassera les performances des plus puissants ordinateurs classiques, attise forcément les convoitises. Les enjeux sont éco- nomiques mais aussi politiques, en témoignent les investisse- ments réalisés par certains états comme les États-Unis depuis la fin des années 1990, l’Australie qui dispose désormais de deux centres d’excellence dédiés au sujet ou encore la Grande-Bre- tagne qui estime que l’industrie des technologies quantiques représentera 1 milliard de livres dans les 10 prochaines années. La Commission européenne prévoit quant à elle le lance- ment en 2018 d’un projet d’1 milliard d’euros pour soutenir le développement des techno- logies quantiques : QuantERA. Chaque protagoniste essaie de réaliser une sorte de « Spoutnik Moment », une avancée techno- logique qui prend tout le monde de court… Dans ce domaine les Chinois multiplient d’ailleurs les annonces de poids : la première téléportation quantique réussie d’un message sur 1200 km entre un satellite en orbite et la Terre ou encore la mise en place d’un premier tronçon de 2000 km d’un réseau de communication quan- tique reliant les villes de Pékin, Jinan, Hefei et Shanghai ! La course est lancée Le secteur privé n’est pas en reste. IBM a depuis longtemps investi le champ des recherches en informatique quantique et a récemment lancé une plate- forme en cloud pour faciliter l’accélération de l’innovation dans le domaine des technolo- gies quantiques, notamment en aidant la communauté scienti- fique à découvrir de nouvelles applications. D’autres ont choisi de s’associer avec le monde universitaire : Google avec l’Uni- versité de Californie à Santa Barbara (UCSB), Microsoft avec l’université de Sydney et Intel avec l’université de technologie de Delft (Pays-Bas). De son côté D-Wave, société canadienne, a été la première à commercia- liser un ordinateur quantique, vendu notamment à la NASA et à Google. Les spécialistes pointent du doigt qu’il ne s’agit pas d’un ordinateur quantique général mais qu’il est optimisé pour un type de calcul quantique, le «recuit simulé». L’objectif affiché par la start-up Rigetti Compu- ting, basée à Berkeley en Cali- fornie, se concentre, elle, sur la conception du matériel informa- tique nécessaire pour construire « l’ordinateur le plus puissant du monde ». QxBranch et 1QBit s’activent plutôt sur le côté logi- ciel… bref la course aux qubits, aux algorithmes et aux logiciels est lancée. Aujourd’hui euratech trends #1102 Photographie de la puce construite par D-Wave Systems Inc. qui fonctionne avec un processeur de 128 qubits basé sur la méthode du recuit simulé quantique
  3. 3. P lus de 23 milliards de dol- lars : ce sera le montant des revenus générés en 2025 par l’informatique quantique, selon les estimations du cabinet Persistence Market Research*. La prochaine décen- nie devrait ainsi voir le taux de croissance annuel moyen du mar- ché connaître une hausse expo- nentielle de 30,9 %, hardware et software compris. Mieux encore, le développement de l’informatique quantique aurait un effet d’entraî- nement dans de nombreux sec- teurs. L’intelligence artificielle en premier lieu. Avec 2,5 exaoctets de données produites chaque jour dans le monde, un ordina- teur quantique 100 millions de fois plus rapide comme annoncé par Google devrait représenter une arme redoutable. C’est aussi vrai sur la gestion des flux routiers, notamment avec des véhicules autonomes, et la logistique. Une meilleure compréhension des interactions entre les atomes et les molécules peut aussi accélérer la découverte de nouveaux médi- caments et avec l’analyse plus poussée des séquences ADN, la détection des cancers sera facili- tée. En termes de météorologie, l’ordinateur quantique permettrait d’affiner les modèles et rendre les prévisions plus précises. Selon l’Organisation météorologique mondiale, les développements algorithmiques de l’informatique quantique pourrait aider à la cap- ture du dioxide de carbone et ainsi lutter plus efficacement contre le réchauffement climatique ! Décohérence Pour passer du rêve à la réa- lité, l’informatique quantique va devoir néanmoins remplir deux conditions essentielles : dévelop- per le nombre de qubits et sur- tout les protéger du phénomène de décohérence. En effet, plus le nombre de qubits va augmenter, plus les interactions vont s’ac- croître et donc risquer de pertur- ber leurs propriétés quantiques. Pièges à ions, circuits supracon- ducteurs ou qubits portés par des noyaux au sein de cristaux de diamant, de nombreuses pistes sont explorées actuelle- ment avec chacune leurs avan- tages et leurs inconvénients. De plus, le packaging va jouer un rôle prépondérant pour protéger les qubits du monde extérieur et préserver les conditions ex- trêmes nécessaires à leur pleine expression. IBM et D-Wave, par exemple, mettent à l’abri leurs puces dans des chambres de confinement avec 16 niveaux de séparation et développent un système de cryogénie pour maintenir des températures très légèrement au-dessus du zéro absolu (0,0015°K). Sécurité Dernier enjeu de taille : la sécu- rité. Avec l’informatique quan- tique, il va falloir repenser la notion de chiffrement sur de nouvelles bases et incorporer une cryptographie agile afin que les systèmes évoluent en fonction des avancées technolo- giques. L’avenir de la blockchain en dépend. La seule façon de l’attaquer actuellement appa- raît être la force brute, donc de tester massivement l’infaillibilité de chaque maillon de la chaîne. De difficilement réalisable de nos jours cela devien- dra un jeu d’enfant avec l’incroyable puissance de calcul de l’informatique quantique. La solution réside peut-être dans le développement par le Rus- sian Quantum Center d’un protocole blockchain s’ap- puyant sur une signature quantique qui s’attacherait à chaque transaction du processus, donc le rendant infalsifiable. Mais pour se faire, cette signature aura besoin d’un Internet quan- tique mondial… Le chemin à parcourir est encore long, les verrous technologiques de taille, même si la plupart des experts s’accordent sur la commercialisation d’un ordinateur quantique d’ici une quinzaine d’années. euratech trends #11 03 Les enjeux *https://www.persistencemarketresearch.com/mediarelease/quantum- computing-market.asp
  4. 4. euratech trends #1104 QUANTIC https://team.inria.fr/quantic L’équipe QUANTIC (QUANTum Information Circuits) se trouve à l’interface théorique et expé- rimentale de l’ingénierie quan- tique, un domaine en émergence lié aux applications en informa- tion, calcul et communications quantiques. L’objectif principal de cette équipe interdisciplinaire formée par des physiciens et mathématiciens appliqués, est de développer à la fois des mé- thodes et des dispositifs expéri- mentaux assurant un traitement robuste de l’information quan- tique. ATOS https://atos.net/en/insights-and-in- novation/atos-quantum Atos lance « Atos Quantum » pour développer des solutions de calcul quantique qui offriront des puissances de calcul inédites, tout en faisant évoluer ses pro- duits de cyber-sécurité pour les renforcer face à ces nouvelles technologies. Pour Thierry Breton, le PDG d’Atos, « la formation des nouvelles générations au calcul quantique et à l’intelligence arti- ficielle est plus qu’un besoin, c’est un devoir ». Le programme vise notamment les développe- ments suivants et leur intégra- tion industrielle : • Lancement d’une plate-forme de simulation quantique capable de simuler jusqu’à 40 bits quan- tiques (qubits). Baptisé « Atos Quantum Learning Machine » (Atos QLM), le simulateur est propulsé par un supercalcula- teur ultra compact associé à un langage de programmation uni- versel. Disponible en 5 configu- rations de puissance (de 30 à 40 qubits) pour couvrir les différents besoins des organisations. • Création d’un pôle de dévelop- pement d’algorithmes et de pro- grammation afin de constituer un portefeuille d’applications quan- tiques en particulier pour le Big Data, l’Intelligence Artificielle, le calcul intensif et la cyber-sécu- rité. • Conception d’architectures de calcul innovantes afin de per- mettre aux applications de béné- ficier de la puissance colossale apportée par le quantique et des environnements standards disponibles sur les supercalcula- teurs classiques. • Développement de nouveaux algorithmes de cryptographie ré- sistants aux attaques quantiques afin de rendre les applications inviolables par les méthodes quantiques et préserver ainsi les niveaux de sécurité actuels et à venir au cœur d’Internet, du commerce électronique et de la protection des données person- nelles. France Directeur de publication : Raouti Chehih Rédacteur en chef : Patrick Bertolo Journaliste : Thibault Caudron 165 avenue de Bretagne 59000 Lille 03.20.19.18.55 contact@euratechnologies.com du 13 au 19 janvier 2018, Delft (Pays-Bas) https://qutech.nl/qip2018/ du 20 au 26 janvier 2018, Les Diablerets (Suisse) https://www.idquantique.com/winter-school2018-/ du 21 au 23 mars 2018, Bristol (Royaume-Uni) https://quantumlab.info/ 10th Annual Winter School: The Coming Age of Quantum Cyber Security du 12 au 16 mars 2018, Baton Rouge (états-Unis) http://qcmc18.phys.lsu.edu/home.htm Quantum Innovation Lab 2018 du 22 au 26 avril 2018, Strasbourg (France) http://spie.org/epe/conferencedetails/quantum- technologies?wt.mc_id=repe18shcz&SSO=1 Quantum Technology Conference at Photonics Europe (epe104) www.euratechnologies.com du 8 au 12 septembre 2018, Nagoya (Japon) http://aqis-conf.org/2018/ du 10 au 11 septembre 2018, Londres (Royaume-Uni) https://quantumoptics.physicsmeeting.com/ 3rd InternationalConferenceonQuantum Optics and Quantum Computing 18th Asian Quantum Information Science Conference (AQIS'18) 21st Annual Conference on Quantum Information Processing (qip 2018) International Conference on Quantum Communication, Measurement and Computing (QCMC 2018) En 2017, le laboratoire national d’Oak Ridge a fait l’acquisition d’un AQLM (Atos Quantum Learning Machine) d’une puissance de 30 qubits. L’équipement sera dédié à l’étude d’impact de l’in- formatique quantique sur la recherche dans différents domaines (chimie, biologie, science des matériaux, science des données) pour le compte du Department Of Energy. en octobre 2020, Bruxelles (Belgique) http://www.solvayinstitutes.be/html/solvayconf_physics.html Solvay Conferences on Physics A G E N D A

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