La physique quantique est née en 1900, lorsque Max Planck a suggéré que l'énergie n'est pas absorbée en continu, mais dans des parties distinctes - les quanta. Son idée a été développée: l'effet photoélectrique d'Einstein, la théorie de l'atome de Bohr, Rutherford a montré expérimentalement à quoi ressemble le noyau atomique, Louis de Broglie a effacé la frontière entre les ondes et la matière, Heisenberg et Schrödinger ont développé la mécanique quantique.Il est difficile de comprendre la physique quantique - son appareil mathématique est presque impossible à traduire en langage «humain». Mais «toucher» ses manifestations dans la vie de tous les jours est bien réel: lasers, lecteurs flash, CD, circuits intégrés ou graphène - toutes ces technologies sont apparues grâce à la physique quantique. Il est logique qu'ils aient décidé de l'utiliser pour des calculs - dans les ordinateurs quantiques.Les ordinateurs quantiques sont fondamentalement différents des ordinateurs ordinaires: ils traitent les informations un ordre de grandeur plus rapidement et leur mémoire est plus exponentielle. Déjà maintenant, les échantillons expérimentaux résolvent certains problèmes plus rapidement que les supercalculateurs les plus puissants. Les perspectives d'introduction des ordinateurs quantiques s'annoncent. Avec leur aide, vous pouvez créer de nouveaux médicaments, les matériaux composites sont plus solides que le titane et plus légers que le plastique, les supraconducteurs qui fonctionnent à température ambiante, assurent une sécurité de cryptage absolue ou développent une intelligence artificielle universelle. Mais en réalité, tout n'est pas si rose. C'est parce que nous ne comprenons pas encore ce qu'un ordinateur quantique peut vraiment faire .Anatoly Dymarsky (Skoltech) est un physicien théoricien qui travaille dans le domaine de la physique des systèmes quantiques. Anatoly dira en quoi l'ordinateur quantique diffère de l'ordinateur habituel et quelles sont les possibilités de l'industrie informatique.Comment fonctionne un ordinateur ordinaire?
Pour expliquer ce qu'est un ordinateur quantique et comment il fonctionne, vous devez partir de loin et dire comment fonctionne un ordinateur ordinaire. Le fonctionnement d'un ordinateur conventionnel est déterminé par deux paramètres: la mémoire, la vitesse de calcul.La mémoire est la principale caractéristique d'un système informatique. Un ordinateur peut lire, écrire et traiter des informations stockées en mémoire.L'ordinateur effectue les opérations les plus simples: multiplication, soustraction, addition de nombres. Si vous effectuez ces opérations souvent et rapidement, vous pouvez les combiner dans un programme qui traite les informations. C'est ainsi que fonctionnent les bases de données, la recherche ou les réseaux de neurones. La vitesse de calcul ou la vitesse d'exécution des opérations (FLOPS) est ici importante .Il existe un troisième paramètre (supplémentaire) - le déterminisme,caractéristique générale pour tous les systèmes informatiques. Cela signifie que toutes les machines fonctionnent selon un programme unique - zéro est toujours zéro et une unité est définitivement une unité. Aucune autre interprétation n'est fournie et il n'y a aucun élément d'incertitude.L'incertitude ne peut être introduite qu'au niveau d'entrée, par exemple par des nombres aléatoires. L'entrée peut être aléatoire, mais le programme traite toujours sans ambiguïté toutes les données entrantes.Comment fonctionne un ordinateur quantique?
Cela fonctionne différemment - par une logique intuitivement incompréhensible. Comme l'habituel, il effectue des calculs, mais il est basé sur les lois de la mécanique quantique .Le monde classique et la mécanique classique sont déterministes. Cela signifie que la valeur de tout registre de mémoire dans l'ordinateur est toujours 0 ou 1, et la plaque est toujours entière ou cassée.Dans un système de mécanique quantique, il n'y a pas une telle clarté, mais il y a une probabilité qui détermine son essence. La bonne question ici est: quelle est la probabilité que les plaques soient cassées ou intactes, quelle est la probabilité que les valeurs du registre soient 0 ou 1?La probabilité est le premier concept important en mécanique quantique . Du point de vue de la mécanique quantique, les plaques de Schrödinger sont à la fois entières et cassées. Il y a une certaine probabilité qu'ils soient entiers et une certaine probabilité qu'ils soient brisés. Cette incertitude reflète le monde physique réel.Au niveau classique, l'incertitude masque notre ignorance. Par exemple, lorsque nous achetons un billet de loterie Sportloto, nous sommes susceptibles de gagner parce que nous ne connaissons pas le numéro gagnant.Pour la physique classique, une loterie n'est pas un processus probabiliste. Vous pouvez toujours décrire le mouvement de la main qui lance le tambour, la vitesse et la trajectoire de chaque balle. Théoriquement, vous pouvez deviner le numéro gagnant (même si en pratique c'est difficile). En mécanique quantique, même théoriquement, on ne peut pas devinerce qui se passera la seconde suivante. Nous ne pouvons prédire cela qu'en termes de probabilité.Le deuxième concept est le principe de superposition . Un bit régulier ne se trouve que dans les valeurs 0 ou 1. Dans les ordinateurs quantiques, il n'y a pas de bits ordinaires, mais il y a des bits quantiques - qubits . Le bit quantique est dans l'état 0 ou 1 avec une certaine probabilité. Un qubit peut être simultanément dans ces états, d'ailleurs, dans différentes combinaisons - dans une superposition de ces états.Lorsque le système (qubit) est simultanément à l'état 0 ou 1, on ne peut parler que de probabilités. S'il y a plusieurs états, le système est simultanément dans tous les états possibles, mais avec une probabilité plus faible pour chacun. C'est fondamentalement important.Dans un programme classique, à chaque instant particulier, chaque ligne du programme fonctionne avec une cellule mémoire spécifique. En mécanique quantique, vous pouvez travailler avec toutes les cellules de mémoire en même temps ."Mémoire" d'un ordinateur quantique
Quelle est la principale différence entre la mémoire quantique et la mémoire informatique classique? Sur un ordinateur ordinaire, nous écrivons des nombres en code binaire. Par exemple, le nombre 8 dans le système binaire ressemble à 00001000 et 4 bits suffisent pour l'écrire.Dans les ordinateurs quantiques, les qubits sont dans l'état 0 ou 1 avec une certaine probabilité. La probabilité est un nombre. Pour écrire un nombre unique avec une précision infinie, vous avez besoin d'un nombre infini de bits. Par conséquent, en théorie, un qubit est un système physique avec une quantité infinie de mémoire .En pratique, les méthodes de mesure ont une précision limitée. Nous supposons qu'il correspond à la machine habituelle (float). Il s'avère que le qubit contient deux nombres: la probabilité que le qubit soit dans l'état 0 et dans l'état 1.Remarque: pour simplifier, nous ignorons que la somme des probabilités d'un qubit dans l'état 0 et 1 doit être égale à un. La principale conclusion ne dépend pas de la simplification.Un qubit correspond à deux nombres réels (float). C'est une grande victoire, car pour deux nombres réels sur un ordinateur ordinaire, vous avez besoin de deux mots machine - 128 bits ordinaires, et nous avons réussi avec un quantum. Il peut sembler qu'un ordinateur quantique est 128 fois meilleur que d'habitude. Mais ce n'est pas le cas.Un ordinateur quantique est exponentiellement meilleur que d'habitude.
Un qubit correspond à 2 nombres réels. Deux qubits - 4 nombres réels. Mais huit qubits correspondent à 256 configurations potentielles de huit zéros et uns - deux à la huitième puissance.Pour un qubit, le gain est 128 fois, et pour huit qubits il est beaucoup plus grand - 256 * 128. Un système de n qubits en mémoire est équivalent nombres réels.La capacité de la mémoire quantique augmente de façon exponentielle.
La mémoire d'un ordinateur portable ordinaire équivaut à 15 qubits, 40 qubits sont égaux à la mémoire des centres de données les plus puissants et 50 à 60 qubits dépassent la mémoire totale de tous les centres de données du monde entier.Trois à quatre qubits équivalent à une augmentation de la mémoire classique ordinaire de 10 à 20 fois. La mémoire quantique est beaucoup plus vaste que toutes les autres méthodes classiques d'enregistrement d'informations. C'est le principal potentiel de l'informatique quantique.Mais une augmentation exponentielle de la capacité de la mémoire quantique pose un problème de dimension . En raison de la malédiction de la dimension, il est difficile de décrire un tel système quantique sur un ordinateur classique - de plus en plus de mémoire est nécessaire.Quelles tâches un ordinateur quantique peut-il résoudre?
Si le monde quantique fonctionne à un niveau d'incertitude, comment est-il possible de calculer quoi que ce soit? La mécanique quantique a une nature probabiliste et nous avons besoin d'une réponse exacte. Comment tout fonctionnera-t-il si vous avez juste besoin de multiplier deux nombres?J'expliquerai par l'exemple des problèmes de la classe NP , c'est-à-dire des problèmes de solvabilité dont la solution ne peut être trouvée en temps polynomial - en tout cas, sous l'hypothèse. Cependant, l'exactitude de la solution en temps polynomial peut être vérifiée. Cela revient à casser un verrou fermé: nous ne savons pas comment utiliser les clés principales, mais nous pouvons vérifier rapidement n'importe quelle clé, le cas échéant.Grâce au principe de superposition, le système quantique est immédiatement dans tous les états et recherche la meilleure option. Le système ne donne pas de réponse définitive, mais il augmente la probabilité que la meilleure option soit une solution. Lorsque le système s'arrête à une solution, nous pouvons rapidement vérifier son exactitude.S'il s'avère que la réponse est incorrecte, redémarrez l'ordinateur quantique. La probabilité d'obtenir la bonne réponse est supérieure à 50%, et souvent beaucoup plus. Ainsi, en 2-4 débuts de l'algorithme quantique, nous obtenons la bonne réponse.Nous n'aurons pas de réponse définitive, mais seulement la probabilité d'obtenir la bonne réponse. Mais cette probabilité est très élevée. En fait, nous devinons, mais pas sur le marc de café, mais sur le plan scientifique. Dans quelques itérations, nous trouverons la réponse et vérifierons qu'elle est correcte.Paramètres informatiques quantiques
Un ordinateur classique a deux paramètres de qualité: la quantité de mémoire et le nombre d'opérations. Avec un ordinateur ordinaire, nous supposons par défaut que nous avons accès à tous les emplacements de mémoire pour l'écriture et la lecture.Dans le cas quantique, il y a trois paramètres.La quantité de mémoire ou le nombre de qubits . Plus il y a de mémoire, mieux c'est? Pour un ordinateur quantique, non - lorsque nous augmentons le nombre de qubits, la complexité du système quantique augmente. Le système devient difficile à maintenir dans un état isolé.Durée de fonctionnement ou nombre d'opérations séquentielles (cohérence). Le système doit être maintenu dans un état isolé - en physique, cela s'appelle la cohérence. Si nous permettons au système quantique d'interagir avec l'environnement, cela détruira l'état des cellules de la mémoire quantique. Au lieu de zéros et de uns, il n'y aura que du bruit.Nous essayons de garder le système isolé aussi longtemps que possible. Mais plus nous effectuons d'opérations quantiques, plus elles y passent de temps, ce qui signifie qu'il est de plus en plus difficile de maintenir le système dans un état isolé.Remarque: ici, le nombre d'opérations n'est pas par seconde, mais pour toute la durée de fonctionnement du système.Un paradoxe se pose: plus il y a de qubits, moins il y a d'opérations disponibles . Par conséquent, le temps pendant lequel vous pouvez maintenir le système isolé et effectuer un certain nombre d'opérations est un paramètre important.Imaginez un ordinateur ordinaire dans lequel il n'y a pas de refroidissement. Jusqu'à ce que l'ordinateur surchauffe, il a le temps de compter quelque chose, puis il s'éteint. À peu près la même chose se produit dans un ordinateur quantique. Il n'a pas de «ventilateur»: plus il fonctionne, plus il chauffe jusqu'à ce qu'il s'effondre. Par conséquent, le nombre d'opérations est limité.Universalité. Dans un ordinateur classique, toutes les opérations sont disponibles: multiplication, division, soustraction. Théoriquement, quantique aussi. Mais en pratique, il est beaucoup plus facile de mener des opérations qu'avec des qubits voisins, qui sont situés en ligne droite, dans un réseau rectangulaire ou carré. Pour travailler avec tous les qubits, une architecture très complexe est nécessaire - en pratique, ils ne savent toujours pas comment.
Les trois domaines sont en conflit les uns avec les autres. Nous pouvons améliorer l'un, mais cela se produira en raison de la détérioration des deux autres. Maintenant que la technologie est à ses balbutiements, plusieurs plates-formes prototypes peuvent être distinguées, et chacune d'elles essaie d'améliorer les performances d'une direction au détriment des deux autres.Prototypes
Je vais souligner trois prototypes sur lesquels travaillent de grandes entreprises. Google, IBM, Intel, Microsoft investissent dans le développement d'ordinateurs quantiques. Ensemble, ils ont investi plus de 500 millions de dollars dans le développement, les laboratoires et les centres de recherche.Les premiers ordinateurs classiques occupaient des pièces entières, fonctionnaient sur des tubes à vide et étaient tellement chauffés qu'ils avaient besoin d'un puissant refroidissement séparé. Les ordinateurs quantiques leur ressemblent beaucoup - ce sont des armoires de 3 mètres de haut, dont la plupart sont occupées par des systèmes de refroidissement. Les ordinateurs refroidissent à une température proche du zéro absolu afin que les systèmes quantiques puissent remplir leurs fonctions informatiques.Ordinateurs quantiques universels
Ce sont des machines universelles de Google et IBM avec environ 20 qubits de mémoire. Ils effectuent n'importe quelle opération, car une universalité complète est disponible avec un nombre relativement faible de qubits, et une limitation pratique apparaît alors. Peut-être que dans un an, les gens apprendront à travailler avec 30 à 40 qubits.Les ordinateurs quantiques universels sont capables d'implémenter des algorithmes quantiques arbitraires, par exemple, des algorithmes Shor et Grover.La cryptographie moderne est basée sur la décomposition des nombres en facteurs premiers. On ignore actuellement s'il existe un algorithme polynomial non quantique pour le problème de factorisation. Cependant, il y a 25 ans, Peter Shore a publié un article expliquant comment un ordinateur quantique peut décomposer un très grand entier en facteurs premiers.L'algorithme informatique quantique ne fonctionne pas de manière déterministe, mais suppose des facteurs simples avec une probabilité de réponse correcte de plus de 50% et trouve des facteurs simples exponentiellement plus rapides qu'un facteur régulier.Avec la propagation des ordinateurs quantiques, toutes les méthodes de cryptage modernes seront vulnérables, et c'est la principale motivation dans le développement d'algorithmes quantiques au cours des 25 dernières années. Mais pour l'instant, il est encore difficile d'appliquer la méthode Shore, car l'algorithme nécessite un grand ordinateur quantique. Les petits ne résolvent le problème que pour les petits nombres.Un autre exemple qui démontre le potentiel de l'informatique quantique est l' algorithme de Grover pour la tâche de rechercher ou de trouver une solution à une équationoù une sorte de fonction complexe.En plus des algorithmes Shore et Engraver mentionnés ci-dessus, il existe un grand nombre d'autres algorithmes quantiques. Tout système physique veut atteindre l'équilibre - le quantum ne fait pas exception. D'un point de vue scientifique, il est plus correct de parler non pas d'équilibre, mais de l'état de base du système. L'analogue classique est l'état de repos. Le système cherche toujours à entrer dans un état de repos avec un minimum d'énergie. En termes de problèmes de calcul, il s'agit d'une tâche d'optimisation de minimisation d'énergie. Un ordinateur quantique peut simplement résoudre de tels problèmes.L'ensemble du domaine d'applicabilité des algorithmes quantiques et des ordinateurs n'est pas encore compris. Mais il existe déjà des dizaines de problèmes d'optimisation différents que les ordinateurs quantiques et les algorithmes peuvent gérer, et de nouveaux sont trouvés.Simulateurs quantiques de polyvalence limitée
C'est une autre direction: l'universalité est limitée, mais l'isolement (cohérence) est maintenu. Ce sont des ordinateurs au tournant de 50 à 70 qubits, qui au sens de la mémoire sont déjà plus que n'importe quel supercalculateur.À cette frontière, les capacités d'un ordinateur quantique spécialisé sont supérieures aux capacités d'un ordinateur classique - une supériorité quantique apparaît . Cela signifie que les ordinateurs quantiques peuvent résoudre certains problèmes que les ordinateurs ordinaires (même les superordinateurs) mettront des dizaines, des centaines ou des milliers d'années à compléter.En octobre 2019, Google a annoncé qu'il avait atteint une supériorité quantique. Les nouvelles sont parues dans tous les principaux journaux et magazines, l'article scientifique correspondant a été publié dans Nature. Les articles en vedette ont été publiés par de nombreux journaux, même le New York Times et le Wall Street Journal, qui sont loin d'être scientifiques.En réalité, Google a développé un processeur quantique avec une polyvalence limitée. Il a un nombre assez élevé de qubits et il peut effectuer certaines tâches étroites mieux que n'importe quel ordinateur classique. Une autre question est que ce sont des tâches très étroites et artificielles.Processeurs incohérents avec le nombre de qubits à partir de 2 mille
Si vous oubliez l'universalité et la cohérence, vous pouvez ajouter 2 voire 3 à 4 000 qubits. La société D-Wave du Canada est engagée dans ce domaine. Ils ont des processeurs à mille qubits, mais sans cohérence.Applications possibles des ordinateurs quantiques
Une grande application potentielle est la cryptographie. Le second est les tâches d'optimisation qui se posent dans divers domaines.La science. L'informatique quantique peut aider à prédire le comportement des particules, à modéliser des molécules d'ADN ou à développer de nouveaux médicaments. Par exemple, ils essaient d'appliquer l'informatique quantique en pharmacologie. Pour ce faire, vous devez comprendre la forme des différentes protéines (que vous pouvez considérer comme des objets quantiques microscopiques). Nous ne savons pas comment ils vont se comporter, mais le moyen le plus simple de comprendre cela est de simuler leur comportement sur un ordinateur quantique. Cette tâche scientifique a un énorme potentiel commercial: nouveaux médicaments, suppléments, antibiotiques.De nouveaux matériaux.Dans la science des matériaux, l'essentiel est de comprendre l'interaction des atomes, qui peut être modélisée sur des ordinateurs quantiques. C'est aussi une tâche scientifique, mais après avoir créé du nouveau matériel, il peut déjà être vendu.Apprentissage automatique et intelligence artificielle. L'apprentissage automatique est un processus complexe qui nécessite une énorme quantité de calcul. Bien qu'il n'y ait aucun avantage pratique des ordinateurs quantiques, car ils sont maintenant au mauvais niveau de développement. Mais à long terme, les ordinateurs quantiques peuvent accélérer les algorithmes standard. Dans certains cas, cela semble révolutionnaire, car vous pouvez réduire le temps d'entraînement d'un réseau de neurones par dizaines de fois.Transport, énergie, logistique.Dans ces domaines, il existe de nombreux problèmes d'optimisation. Par exemple, dans le secteur de l'énergie, le principal problème est la distribution de l'énergie électrique dans tout le pays. Le prix de l'électricité dans les différentes régions est différent, tandis que pendant la transmission, une partie de l'énergie est perdue, et avec elle le profit. Pour gagner plus d'argent, l'entreprise essaie d'optimiser le transfert. C'est l'une de ces tâches qui appartient à la classe NP. Il est difficile de trouver la bonne solution, mais un ordinateur quantique peut aider.Applications commerciales. En affaires, seules les grandes entreprises et les grandes entreprises sont impliquées dans l'informatique quantique. Les géants ont de l'argent et des ressources, par exemple, Google, D-Wave ou IBM (le leader du domaine avec de grandes réalisations).Sur le site Web de la société D-Wave, il est écrit que déjà dans 150 applications commerciales, l'informatique quantique est utilisée. IBM a publié une brochure qui explique ce qui peut être fait avec un ordinateur quantique. Ce sont des dizaines d'industries différentes et potentiellement des centaines de solutions commerciales. Cela ressemble donc au papier.
En réalité, tout est un peu différent. Le développement de la technologie n'est pas encore au niveau pour la mettre en pratique.Que signifie la révolution quantique pour l'industrie informatique?
Rien jusqu'à présent. Nous sommes dans la soi-disant ère NISQ - Noisy Intermediate-Scale Quantum technology . Cela signifie qu'à l'heure actuelle, il n'existe pas de tels dispositifs quantiques qui pourraient rivaliser avec les ordinateurs classiques. Il n'est pas encore possible de créer un système quantique qui surpasse à tous égards le classique: plutôt petit, universel et isolé. Jusqu'à présent, seuls des systèmes ont été obtenus qui effectuent des tâches hautement spécialisées d'un certain type mieux qu'un cluster informatique. La technologie quantique n'est pas encore pratique. Je voudrais utiliser cet énorme potentiel pour mes tâches quotidiennes, mais je ne sais pas comment le faire.La technologie quantique a un énorme «potentiel perturbateur». Si vous apprenez à bien résoudre au moins un des problèmes d'optimisation mentionnés ci-dessus, cela changera au moins une industrie spécifique. J'espère que dans 5 à 10 ans, la situation changera dans certains domaines.De nombreuses entreprises créent des prototypes de véritables ordinateurs quantiques - elles savent déjà faire quelque chose, mais jusqu'à présent, cela ne suffit pas.Dans Skoltech, nous essayons de répondre à la question principale - comment et pourquoi vous pouvez utiliser un ordinateur quantique. Avec mes collègues Vladimir Antonov et Oleg AstafievNous travaillons sur un projet dans lequel nous travaillons sur un petit ordinateur quantique. Malheureusement, certains des problèmes d'architecture et de conception n'ont pas encore été résolus, car nous ne savons toujours pas quelles tâches cet ordinateur devra résoudre. Si cette question vous intéresse, je vous invite à en discuter .L'intérêt avec lequel les participants à HighLoad ++ ont reçu le rapport sur les ordinateurs quantiques et les centrales nucléaires nous a incités à accorder plus d'attention à ces sujets lors de nos conférences. Par conséquent, au RIT ++ en mai en ligne, nous aurons des sections du domaine scientifique et de l'application de l'informatique dans des domaines connexes. Et ce n'est qu'une petite partie des nouveautés du festival «Russian Internet Technologies» - pour plus de détails, consultez le site Web et la newsletter .