La technologie quantique : mais que pouvez-vous en faire ?

La technologie quantique : mais que pouvez-vous en faire ?

De l’ingéniosité inutile ?

Rien n’est plus faux. Par exemple, presque tous les gadgets modernes – ordinateurs, téléphones portables, consoles de jeux et voitures – ont un transistor intégré, qui est entièrement basé sur les caractéristiques de la mécanique quantique.

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Pourtant, vous ne pourrez pas simplement entrer dans une succursale de MediaMarkt et y acheter un ordinateur quantique dans un délai d’un an. Les cas d’utilisation d’un ordinateur quantique sont fondamentalement différents des applications des ordinateurs classiques.

Bien que la mécanique quantique existe en tant que discipline depuis le début du XXe siècle, ce n’est qu’à la fin du XXe siècle que l’idée a commencé à émerger que les problèmes physiques quantiques ne peuvent être reconstruits qu’en utilisant un simulateur quantique universel qui partage les mêmes caractéristiques que le problème physique quantitatif à simuler.

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L’idée a été mise en circulation en 1981 par le physicien Richard Feynman, qui soupirait que « la nature n’est pas du tout conventionnelle, et que si l’on veut faire une simulation de la nature, il faut s’assurer qu’elle est de nature mécanique quantique ».

Pour Andrew Bestwick, directeur de l’ingénierie chez Quantumstart-up Rigetti, cela semble également très logique. « La nature n’abrite pas ses informations dans des zéros et des uns, mais s’exprime selon les lois de la mécanique quantique. Donc, si vous voulez simuler un système quantique, vous avez aussi besoin d’un équipement pour cela.

Bien que les applications commerciales de la technologie ne soient pas prêtes à l’emploi, les grands géants technologiques tels que Google, IBM, Microsoft et la start-up Rigetti ouvrent leurs processeurs quantiques via le cloud pour que les développeurs puissent concevoir des applications prêtes à l’emploi sur ceux-ci. Par exemple, Samsung, Honda et Barclays utilisent le Quantum Cloud d’IBM pour leur recherche quantique.

Dario Gil, vice-président d’IBM Q, affirme que la recherche d’applications commerciales demeure l’un des défis les plus importants de la technologie quantique. « La mission est d’inventer la première application quantique à usage commercial. Pour Rigetti aussi, cela reste l’objectif le plus important : « Nous voulons nous concentrer sur l’utilisabilité commerciale et l’applicabilité de ces machines, car c’est en fin de compte la raison d’être de cette entreprise ».

Bien que, jusqu’à récemment, les ordinateurs quantiques ne pouvaient leur attribuer aucun avantage concurrentiel par rapport aux ordinateurs conventionnels, la situation a récemment changé. IBM a récemment prouvé que les ordinateurs quantiques sont beaucoup plus rapides que les ordinateurs conventionnels. Le monde quantique espère qu’il s’agit de la première victoire sur les ordinateurs conventionnels, dans la file de tant d’autres. En attendant, nous énumérons pour vous les domaines d’application les plus importants de la technologie quantique.

Applications quantiques

Kwantumsimulaties

Le fait que l’informaticien Richard Feynman ait trouvé logique que des simulations quantiques aient été effectuées par des systèmes quantiques pourrait ne pas répondre entièrement à nos attentes quant à une conclusion scientifiquement fondée.

Pourtant, il est vrai que de nombreux problèmes scientifiques pratiques, tels que ce qui rend les supraconducteurs supraconducteurs, ou pourquoi les aimants sont en fait magnétiques, sont difficiles à résoudre avec les ordinateurs conventionnels. Plusieurs des applications décrites ci-dessous, comme les simulations financières, les voyages dans l’espace et la médecine, utilisent des simulations quantiques.

Hyperveilige encryptie

Avec les fuites de données ici et là, il devient clair que nous devons progressivement rechercher une forme plus sûre de cryptage des données. Le cryptage garantit que les données elles-mêmes deviennent inutilisables lorsqu’elles atteignent des personnes malveillantes. La technologie de l’information quantique peut être utile à cet égard.

Dans la plupart des cas, les systèmes de cryptographie quantique utilisent des photons polarisés comme qubits. Plusieurs laboratoires de recherche et entreprises telles que Toshiba, Hewlett Packard et IBM ont déjà inventé des solutions de cryptographie quantique.

En octobre 2007, Nicolas Gisin, en collaboration avec des collègues de l’Université de Genève, a développé un véritable système de cryptographie quantique, qui a été immédiatement appliqué lors des élections fédérales suisses. Grâce à leur système quantique, Gisin et ses compagnons veillent à ce que les votes soient transférés en toute sécurité entre le collège électoral central suisse et le collège de comptage.

ID Quantique, société spécialisée dans les solutions de cryptographie quantique, a déjà développé un système similaire pour la transmission sécurisée des données en 2010. Il a été utilisé lors de la Coupe du Monde en Afrique du Sud.

Financial simulaties

JP Morgan Chase utilise depuis un certain temps ce que l’on appelle des « quants », c’est-à-dire des employés qui recherchent des marges bénéficiaires en utilisant un ordinateur. Cette année, la banque a ajouté des employés que l’on pourrait appeler en plaisantant « quantums ».

Les ordinateurs utilisés par les employés pour effectuer leurs calculs sont basés sur la mécanique quantique. D’une certaine façon, c’est logique ; certains problèmes financiers, comme les ajustements de risque de portefeuille, se résument à des principes mathématiques semblables à ceux de la mécanique quantique.

La plus grande banque des États-Unis vise clairement un avenir quantique. Par conséquent, JP Morgan Chase a mis sur pied un petit comité de recherche composé d’ingénieurs et de mathématiciens pour examiner comment les ordinateurs quantiques pourraient les aider à calculer les risques financiers. Pour ce faire, ils utiliseront le Quantum Cloud d’IBM.

La banque américaine est l’une des nombreuses entreprises qui utilisent le nuage quantique d’IBM, ce qui n’est pas surprenant ; si les processeurs quantiques d’IBM peuvent être appliqués à une échelle, ils offrent une immense puissance informatique.

Bob Stolte, directeur technique du département actions de JP Morgan, admet implicitement que la technologie n’a pas encore d’applications concrètes, bien qu’il affirme également que la puissance informatique potentielle est gigantesque. « Si vous pouvez appliquer l’informatique quantique à certains domaines problématiques, cela donne une augmentation exponentielle de la puissance de calcul que vous ne pourriez jamais obtenir avec des GPU ou CPU conventionnels.

Espace

Ceux qui pensent aux voyages dans l’espace pensent à la NASA (ou aux Martiens, selon le type de films que vous regardez.) La NASA croit aussi fermement au potentiel de l’informatique quantique et étudie avec diligence les possibilités de la technologie au Quantum Artificial Intelligence Lab (QuAIL) de la NASA.

L’équipe du laboratoire QuAIL veut démontrer que l’informatique quantique pourra mieux répondre aux problèmes d’optimisation et d’apprentissage machine qui se posent parfois en aéronautique complexe et lors de missions spatiales.

Davide Venturelli, spécialiste informatique à la NASA, nous donne un aperçu de ce qui nous attend dans le domaine du voyage spatial. L’une des optimisations possibles est, par exemple, l’amélioration des routes aériennes afin que le décollage et l’atterrissage des avions se déroulent le plus harmonieusement possible. Si les scientifiques peuvent rendre le trafic aérien plus efficace de cette manière, cela peut réduire considérablement les dangers de l’encombrement de l’espace aérien.

Cependant, ce n’est pas la seule application pour laquelle la NASA veut utiliser la technologie quantique. Selon M. Venturelli, la NASA ne tardera pas à planifier le déploiement de missions spatiales entièrement guidées par des robots. « L’objectif est de planifier la mission bien à l’avance, car la communication en direct avec les robots n’est tout simplement pas possible en raison de la distance par rapport à la terre.

En s’appuyant sur l’optimisation quantique, les scientifiques de la NASA peuvent réellement prédire ce qui se passera au cours d’une telle mission, et quel est le meilleur plan d’action pour que ces robots puissent faire leur travail. Venturelli explique : « Nous avons des missions où nous envoyons plusieurs robots en mission en même temps et nous devons tous les coordonner. Ces robots doivent alors effectuer certaines actions, comme un atterrissage parfait, sans communication en temps réel.

généalogie

La technologie quantique peut démêler des interactions moléculaires et chimiques complexes, menant à la découverte de nouveaux médicaments et dispositifs médicaux.

Les problèmes chimiques sont probablement l’un des premiers problèmes que la technologie quantique pourra résoudre. C’est du moins ce qu’affirme Stephen Jordan, un chercheur dans le domaine de l’informatique quantique qui a récemment pris ses fonctions à l’American National Institute of Standards and Technology pour Microsoft.

Selon Jordan, la simulation des propriétés mécaniques quantiques des molécules correspond parfaitement aux propriétés quantiques des qubits.

La technologie quantique pourrait également garantir à long terme que les gens n’ont plus besoin d’être exposés à des rayonnements nocifs. Mikhail Lukin, professeur à Harvard et expert en optique quantique et en physique atomique, travaille sur la méthode du bio-barcode, c’est-à-dire la manipulation de nanoparticules minuscules de diamants qui peuvent être attachées aux cellules du corps pour lutter contre une certaine maladie grâce à leurs caractéristiques quantiques uniques.

Avec ces particules, il peut prendre des images de cellules humaines et détecter la maladie sans exposer le patient aux radiations.

Cependant, d’autres techniques quantiques sont en cours de développement pour combattre les maladies. De cette façon, les nanoparticules d’or peuvent être programmées pour ne former que des couches dans les cellules tumorales, ce qui garantit que la tumeur est immédiatement visible et que les cellules saines ne doivent plus être attaquées.

La technologie quantique contient également des réponses dans le domaine de la biologie humaine. Grâce aux propriétés de la mécanique quantique, nous pouvons organiser l’ADN dans le bon ordre plus rapidement et résoudre d’autres problèmes de Big Data en médecine.

Cela ouvre la porte à des soins de santé personnalisés, basés sur les caractéristiques génétiques individuelles de chaque patient.

La technologie quantique reste également utile dans la recherche de nouveaux médicaments. La comparaison des molécules est une étape importante dans la phase initiale de la conception d’un nouveau médicament. Jusqu’à présent, des ordinateurs conventionnels ont été utilisés pour les calculs à ce stade.

Cependant, ces ordinateurs semblent être limités à une certaine taille de molécules, alors que – comme vous l’avez deviné – les ordinateurs quantiques peuvent charger des molécules beaucoup plus grosses. Il en résulte des progrès pharmaceutiques plus importants pour toute une série de maladies.

L’informatique quantique nous permet également de simuler certaines interactions moléculaires complexes au niveau atomique. C’est également très important pour la recherche médicale et pour la découverte de nouveaux médicaments.

Nous serons bientôt en mesure de simuler l’ensemble des 20 000 protéines codées dans le génome humain, ainsi que leurs interactions avec des médicaments existants ou nouveaux qui n’ont même pas été inventés.

IA

La technologie quantique augmente de façon exponentielle le potentiel de l’IA et de l’apprentissage profond. Surtout lorsque les ensembles de données sont très volumineux, comme c’est souvent le cas lors de la recherche d’images ou de vidéos, la technologie quantique peut apporter du réconfort avec l’algorithme quantique de Grover.

Bernard Marr, futuriste et auteur chez Forbes, explique que  » les ordinateurs quantiques peuvent analyser des ensembles de données extrêmement volumineux et fournir aux machines intelligentes les informations dont elles ont besoin pour améliorer leurs performances. Selon Marr, les ordinateurs quantiques sont beaucoup plus efficaces dans l’analyse des données et donnent un feedback plus précis que les ordinateurs conventionnels.

La courbe d’apprentissage des machines artificiellement intelligentes s’en trouve considérablement raccourcie. Cette boucle de rétroaction plus courte est fondamentalement applicable à différentes industries et peut rendre la technologie beaucoup plus intuitive à un rythme rapide.

Tout comme pour les voyages dans l’espace, en médecine, la combinaison des voyages dans l’espace et de l’IA gagne du terrain. Par exemple, on a de plus en plus tendance à lier l’apprentissage machine au diagnostic. La grande majorité de l’apprentissage machine concerne la reconnaissance des formes. Les algorithmes calculent des ensembles de données tellement importants à partir de l’information sur les patients qu’il devient difficile de distinguer l’information utilisable du bruit.

Les ordinateurs quantiques peuvent effectuer de tels calculs à grande échelle beaucoup plus efficacement que les ordinateurs conventionnels. L’informatique quantique permettra aux médecins d’étudier beaucoup plus de données en même temps et d’en découvrir plus rapidement les tendances. Il en résultera des formes d’IA plus puissantes et à un rythme plus rapide que ce à quoi on pourrait s’attendre.