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Informatique quantique

La prochaine génération de technologie informatique

L’avènement de l’informatique quantique représente la prochaine transformation technologique majeure, entraînant des changements économiques et sociaux complets. Voici un bref aperçu de ce que l’on attend de la technologie.

La prochaine génération de technologie informatique

L’informatique quantique (QC) est la prochaine génération de technologie informatique, tirant parti de la physique quantique.

Alors que l’informatique classique repose sur le bit, son unité de base, l’informatique quantique s’appuie sur le qubit, ou sur toute valeur entre les qubits, ou sur toute combinaison de ceux-ci.

Alors qu’un bit existe selon une logique binaire – c’est soit 0 soit 1, soit désactivé – un qubit peut exister à la fois dans l’état 0 et dans l’état 1, dans un phénomène connu sous le nom de « superposition ».

L’intrication est un autre phénomène fondamental qui donne au QC son pouvoir. Lorsque deux qubits ou plus sont intriqués, ils agissent comme un seul système, un peu comme des rouages enchevêtrés dans une boîte de vitesses, de sorte qu’un changement d’un qubit change tous les autres avec lesquels il est intriqué. Cela signifie qu’une seule opération peut affecter simultanément les états de plusieurs qubits.

Le résultat est un nouveau type d’informatique étonnamment plus puissant.

Il pourrait y avoir entre 2 000 et 5 000 ordinateurs quantiques dans le monde d'ici 2030. Il y en a eu moins d'une douzaine en 2018.

Des ordinateurs exponentiellement plus puissants

1 L’ordinateur quantique peut résoudre un problème qui nécessiterait un cluster de 512 GPU

Le contrôle qualité a le potentiel de résoudre des problèmes qui sont exponentiellement plus complexes que ceux que l’informatique classique peut résoudre.

Un ordinateur quantique de 1 000 qubits (qui devrait arriver dans 2 à 3 ans) serait capable de fonctionner simultanément sur 10³⁰¹ (c’est-à-dire un 1 suivi de 301 zéros) différents « états d’information ».

Dans ce contexte, un « État » signifie une solution possible à un problème donné. La plupart des solutions possibles vont être fausses, donc plus nous pouvons explorer d’États, meilleures sont nos chances de trouver la meilleure solution.

Deux architectures, deux temporalités

Les recuits quantiques sont spécialisés dans les tâches d’optimisation. Une compagnie aérienne peut utiliser un tel ordinateur pour préparer un horaire optimal des itinéraires des avions, un horaire qui minimise la consommation de carburant tout en s’assurant que tous les horaires des passagers sont respectés.

Ils commenceront à avoir un impact commercial dans 2 à 5 ans

 

Les ordinateurs quantiques basés sur des portes sont universels, ce qui signifie qu’ils seront capables de calculer un large éventail de problèmes. À l’avenir, une société pharmaceutique l’utilisera pour simuler de nouveaux composés médicamenteux, en explorant les effets de millions d’entre eux sans avoir à les synthétiser et à les tester.

Ils commenceront à avoir un impact commercial dans 7 à 10 ans

Technologies quantiques

Qubits supraconducteurs

L’une des principales plateformes technologiques pour le développement d’ordinateurs quantiques. IBM, Google, D-Wave et d’autres le mettent à profit. Les systèmes supraconducteurs fonctionnent généralement à des températures très basses, proches du zéro absolu, afin de créer les bonnes conditions de calcul quantique.

Réseaux quantiques

Les réseaux quantiques permettent la transmission d’informations quantiques intriquées sur des canaux de communication. Ils sont l’une des technologies habilitantes derrière la QKD et permettront à la fois d’améliorer la sécurité et d’augmenter la bande passante.

Distribution quantique de clés (QKD)

Méthode de communication sécurisée qui met en œuvre un protocole cryptographique impliquant des composants de la mécanique quantique. Il permet à deux parties de produire une clé secrète aléatoire partagée connue d’elles seules, une clé qui peut ensuite être utilisée pour chiffrer et déchiffrer des messages. Il promet d’être invulnérable à l’espionnage ou aux attaques de l’homme du milieu.

Capteur quantique

Un dispositif qui fonctionne en détectant les variations de microgravité en utilisant les principes de la physique quantique, qui est basée sur la manipulation de la nature au niveau sub-moléculaire. La détection quantique utilise les propriétés de la mécanique quantique telles que l'enchevêtrement quantique, l'interférence quantique et l'écrasement de l'état quantique pour dépasser les limites actuelles de la technologie des capteurs et contourner le principe d'incertitude.

Qubits d’ions quantiques

Les pièges à ions quantiques sont une autre plate-forme technologique utilisée pour développer des ordinateurs quantiques. Il s’agit d’utiliser la force électromagnétique pour confiner les ions dans l’espace libre. lonQ est le principal promoteur de cette approche.

Architectures de recuit

Une architecture de recuit est plus simple, basée sur l’idée de trouver l’état d’énergie le plus bas dans le système quantique. Cet état d’énergie le plus bas correspond à la solution optimale d’un problème d’optimisation.

Architectures de portes

Les architectures de portes utilisent l’équivalent quantique des portes logiques qui servent de blocs de construction des unités centrales de traitement à base de silicium. Compte tenu de ce fait, un ordinateur quantique basé sur des portes peut, en théorie du moins, calculer le même ensemble de problèmes qu’un ordinateur traditionnel.

Photonique

Les systèmes photoniques s’appuient sur les impulsions lumineuses et la polarisation de la lumière pour créer leurs qubits. Contrairement à la plupart des autres technologies de qubits, ils ont l’avantage de fonctionner à température ambiante, mais ils ont tendance à fonctionner beaucoup plus lentement que les qubits supraconducteurs. Xanadu est la principale entreprise qui adopte une approche photonique du contrôle de la qualité.

Cryptographie post-quantique (PQC)

La cryptographie post-quantique est le terme générique désignant les nouvelles approches de chiffrement à clé publique qui résistent aux ordinateurs quantiques. Le processus de sélection des algorithmes PQC est géré par le National Institute of Standards and Technology (NIST). La plupart des grandes organisations suivent l’exemple du NIST.

L’informatique quantique dans le cloud

Matériel

En règle générale, les entreprises qui ont besoin d’un contrôle qualité ne possèdent pas leur propre ordinateur. L’idée d’ordinateurs quantiques sur site n’est pas pratique à l’heure actuelle, pour un certain nombre de raisons clés :

  • Les appareils quantiques coûtent cher
  • Leur fonctionnement est complexe, et donc coûteux
  • Étant donné la fréquence à laquelle les appareils quantiques reçoivent des mises à niveau de la part de leurs fabricants, un appareil individuel deviendrait rapidement obsolète

Au lieu de cela, les utilisateurs finaux d’ordinateurs quantiques y accèdent via des services cloud.

Il existe actuellement deux approches pour la fourniture de services de contrôle qualité dans le cloud :

Avantages et inconvénients des deux approches

Cloud propriétaire

Dans cette approche, les fournisseurs offrent un accès à leurs propres appareils de contrôle qualité via leurs propres services cloud. IBM est l’entreprise la plus importante à suivre cette approche, offrant le contrôle qualité via son réseau IBM Q.

Forces

Une intégration plus étroite entre la plateforme cloud existante du fournisseur et la plateforme quantique Une latence réseau réduite entre une plateforme cloud classique et la plateforme quantique, ce qui sera un avantage pour les applications à faible latence (telles que la détection des fraudes)

Faiblesses

Sélection limitée d’options de back-end d’informatique quantique

Possibilité de modèles commerciaux plus restrictifs

Risque de verrouillage des fournisseurs

Public Cloud

Dans cette approche, les principaux services cloud permettent d’accéder aux appareils de contrôle qualité de fournisseurs tiers. Amazon Braket, par exemple, offre un accès à D-Wave, rigetti, Oxford Quantum Circuits, IonQ et Xanadu, et d’autres sont en préparation. Microsoft Azure Quantum offre un accès à Quantinuum, IonQ, Quantum Circuits Inc, rigetti, PASQAL, 1QBit, Microsoft QIO et Toshiba SQBM+.

Forces

Utilise les services d’accès et de facturation existants du fournisseur de cloud, ainsi que des services partagés similaires

Fournit une rampe d’accès facile aux ordinateurs quantiques, généralement avec un modèle de « paiement à l’utilisation »

Permet d’accéder à une grande variété d’ordinateurs quantiques, ce qui permet de comparer les plates-formes et d’identifier le dispositif approprié pour le problème à résoudre

Faiblesses

Tendance à une latence plus élevée lors de l’accès au dispositif quantique en raison des allers-retours et des files d’attente du réseau

Cela crée à son tour des problèmes dans des applications telles que la détection des fraudes et le trading à haute fréquence qui ont des exigences en temps réel ou à faible latence, au point que de telles applications peuvent ne pas être pratiques

 

 

À l’avenir, les fournisseurs de cloud pourraient héberger des dispositifs quantiques dans leurs centres de données aux côtés de leur matériel CPU et GPU traditionnel, minimisant ainsi les effets de latence et permettant une nouvelle classe d’applications hybrides quantiques classiques à haut débit et à faible latence, telles que la détection des fraudes et le trading à haute fréquence.

Logiciels/API

Les API et les SDK associés ont tendance à être open source et, à quelques exceptions près, écrits dans le langage de programmation Python.

Chaque grand fournisseur de contrôle qualité fournit généralement ses propres API pour prendre en charge ses appareils ou services.

Certains fournisseurs, tels que IonQ, ont décidé de prendre en charge les API d’autres fournisseurs plutôt que de développer leurs propres API propriétaires. IonQ, par exemple, prend en charge Qiskit d’IBM et Cirq. Cette approche permet aux algorithmes quantiques écrits dans Qiskit pour une machine quantique IBM, par exemple, d’être plus facilement portés pour fonctionner sur un appareil IonQ.

À l’avenir, nous verrons un petit nombre d’API standardisées, fournies ou mandatées par les grands fournisseurs de technologie/cloud (IBM/Amazon/Microsoft), que les fournisseurs de matériel d’informatique quantique construiront.

Applications dans les services financiers

Alors qu’elles s’efforcent d’être leaders au Québec, les institutions financières sont susceptibles de constater que le développement et la rétention des compétences et des talents deviendront un champ de bataille clé. Les leaders dans l’application des technologies quantiques verront leur sécurité, leur efficacité opérationnelle et l’efficacité de leurs produits augmenter considérablement, tandis que les retardataires verront ces aspects de leur activité s’éroder.

Bien que nous ne nous attendions pas à ce que les ordinateurs quantiques soient suffisamment puissants pour déchiffrer les cryptosystèmes PKI actuels avant au moins 10 à 12 ans, il reste encore beaucoup à faire pour les préparer à contrer les menaces quantiques.

Un effet catalyseur dans d’autres secteurs

Le contrôle de la qualité a des applications potentiellement transformatrices dans une gamme d’autres domaines.

Découverte de médicaments

L’informatique quantique améliorera le processus de découverte de médicaments en accélérant l’identification et la simulation des molécules. Il fera passer les expériences des laboratoires humides aux ordinateurs, et les chercheurs auront accès à des combinaisons chimiques que l’informatique conventionnelle mettrait des décennies à concevoir.

Cybersécurité

Les ordinateurs quantiques menacent l’épine dorsale de la sécurité des réseaux d’aujourd’hui : la cryptographie à clé publique RSA. Mais la technologie quantique permettra également de nouvelles formes de communication encore plus sûres.

Logistique

Le Québec transformera nos chaînes d’approvisionnement en traitant des masses de données d’une complexité sans précédent liées à la capacité de fabrication, à la géographie et à l’infrastructure, aux conditions météorologiques, aux itinéraires, à la capacité des voies ferroviaires et maritimes, et au-delà.

Automobile

Le QC permettra de se rapprocher d'un écosystème viable de véhicules autonomes. L'IA et l'apprentissage automatique alimentés par les quanta accéléreront le processus d'apprentissage des algorithmes nécessaires. La classification des images et la détention d'objets en 3D bénéficieront également du CQ.

simulation

Le contrôle qualité offrira de nouvelles capacités dans la modélisation de la réalité. Nous pourrons mieux prévoir les phénomènes météorologiques extrêmes, cartographier le changement climatique, prédire l’impact du développement urbain sur les émissions, prévoir la croissance démographique – et plus encore.

Au fur et à mesure que le QC gagne du terrain, nous verrons naturellement apparaître des cas d’utilisation dans de nombreux secteurs.

TECHNOLOGIES ÉMERGENTES

Les joueurs au QC en ce moment

Divers fournisseurs de matériel créent leurs propres ordinateurs quantiques, en utilisant une gamme de phénomènes physiques sous-jacents différents et en déployant à la fois des approches universelles basées sur des portes et l’approche de recuit quantique. Il s’agit notamment de :

En plus des fournisseurs de matériel, dont chacun propose généralement ses propres bibliothèques de logiciels (par exemple, IBM qiskit, D-Wave Ocean, Google Cirq), il existe également un certain nombre de fournisseurs de logiciels quantiques pur-play. Parmi eux :

Croissance du marché du contrôle qualité

2016

89 millions de dollars

Marché mondial de l’informatique quantique

2025

949 millions de dollars

Marché mondial de l’informatique quantique (prévu)

TCAC de 30 % de 2017 à 2025

Un grand potentiel à venir

Les ordinateurs quantiques seront appropriés pour certaines tâches. À court terme, les ordinateurs quantiques excelleront dans la résolution de problèmes numériques complexes et coexisteront avec les ordinateurs classiques existants pour permettre des systèmes hybrides quantiques-classiques. L’hybridité est importante, car alors que l’informatique classique fournit des résultats bruts, les ordinateurs quantiques fournissent des résultats dans des distributions de probabilité, générant des ensembles de réponses qui peuvent ensuite nécessiter un vannage à l’aide d’ordinateurs classiques. À plus long terme, le QC a le potentiel d’être transformateur. Il apportera d’énormes améliorations dans certains domaines, nous donnant les moyens de créer de nouveaux médicaments révolutionnaires, d’optimiser le fonctionnement de nos marchés financiers, de sécuriser nos réseaux, de comprendre des systèmes complexes, des écologies de la terre aux réseaux mondiaux de l’offre et de la demande, et plus encore. Quant à ses effets maximum, l’horizon est ouvert. Des changements significatifs sont à l’horizon sur les plans social et économique : tout comme l’informatique classique, le contrôle qualité sera une transformation complète de notre mode de vie. Mais l’histoire reste à écrire, et les prochaines décennies seront témoins de ce que nos meilleurs esprits peuvent faire avec ce nouvel outil puissant.