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Signaux

Informatique quantique

La prochaine génération de technologies informatiques

L'avènement de l'informatique quantique représente la prochaine transformation technologique majeure, qui entraînera des changements économiques et sociaux de grande ampleur. Voici un bref aperçu de ce que l'on attend de cette technologie.

La prochaine génération de technologies informatiques

L'informatique quantique (QC) est la prochaine génération de technologie informatique, qui s'appuie sur la physique quantique.

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

Alors qu'un bit existe selon une logique binaire (0 ou 1, off ou on), 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'enchevêtrement est un autre phénomène fondamental qui confère au QC sa puissance. Lorsque deux ou plusieurs qubits sont intriqués, ils agissent comme un système unique, à l'instar des rouages d'une boîte de vitesses, de sorte qu'une modification apportée à un qubit modifie tous les autres qubits avec lesquels il est intriqué. Cela signifie qu'une seule opération peut affecter simultanément les états de plusieurs qubits.

Il en résulte 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 ordinateur quantique peut résoudre un problème qui nécessiterait une grappe de 512 GPU

Le QC 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 voir le jour d'ici 2 à 3 ans) serait capable de fonctionner avec 10³⁰¹(c'est-à-dire un 1 suivi de 301 zéros) différents "états d'information" simultanément.

Dans ce contexte, on entend par "état" une solution possible à un problème donné. La plupart des solutions possibles seront erronées, donc plus nous pouvons explorer d'états, plus nous avons de chances de trouver la meilleure solution.

Deux architectures, deux calendriers

Les recycleurs quantiques sont spécialisés dans les tâches d'optimisation. Une compagnie aérienne pourrait utiliser un tel ordinateur pour préparer un programme optimal d'itinéraires d'avions, qui minimiserait la consommation de carburant tout en garantissant que tous les horaires des passagers soient respectés.

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

 

Les ordinateurs quantiques à 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 en œuvre. Les systèmes supraconducteurs fonctionnent généralement à des températures très basses, proches du zéro absolu, afin de créer les conditions propices au calcul quantique.

Réseaux quantiques

Les réseaux quantiques permettent la transmission d'informations quantiques intriquées sur des canaux de communication. Ils constituent l'une des technologies de base de la QKD et permettront à la fois d'améliorer la sécurité et d'augmenter la largeur de bande.

Distribution de clés quantiques (QKD)

Une 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, clé qui peut ensuite être utilisée pour crypter et décrypter 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.

Ion quantique qubits

Les pièges à ions quantiques sont une autre plateforme 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

L'architecture de recuit est plus simple et repose 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 constituent les éléments de base des unités centrales de traitement basées sur le silicium. Compte tenu de ce fait, un ordinateur quantique à portes peut, en théorie du moins, calculer le même ensemble de problèmes qu'un ordinateur traditionnel.

Photonique

Les systèmes photoniques s'appuient sur des 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 première entreprise à adopter une approche photonique du contrôle de qualité.

Cryptographie post-quantique (PQC)

La cryptographie post-quantique est le terme générique désignant les nouvelles approches de cryptage 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 nuage

Matériel

En général, les entreprises qui ont besoin d'un contrôle de qualité ne possèdent pas leurs propres ordinateurs. L'idée d'ordinateurs quantiques sur site n'est pas encore réalisable, pour plusieurs raisons essentielles :

  • Les dispositifs quantiques sont coûteux
  • Leur fonctionnement est complexe et donc coûteux
  • Étant donné la fréquence à laquelle les fabricants mettent à jour les dispositifs quantiques, un dispositif individuel deviendrait rapidement obsolète

Au lieu de cela, les utilisateurs finaux des ordinateurs quantiques y accèdent par l'intermédiaire de services en nuage.

Il existe actuellement deux approches de la fourniture de CQ en nuage :

Avantages et inconvénients des deux approches

Nuage propriétaire

Dans cette approche, les fournisseurs offrent un accès à leurs propres dispositifs de contrôle de la qualité par le biais de leurs propres services en nuage. IBM est l'entreprise la plus importante qui suit cette approche, en offrant le CQ par l'intermédiaire de son réseau IBM Q Network.

Points forts

Intégration plus étroite entre la plateforme en nuage existante du fournisseur et la plateforme quantique Réduction de la latence du réseau entre une plateforme en nuage classique et la plateforme quantique, ce qui constituera un avantage pour les applications à faible latence (telles que la détection des fraudes).

Faiblesses

Sélection limitée d'options de calcul quantique

Possibilité de modèles commerciaux plus restrictifs

Risque de verrouillage des fournisseurs

Nuage public

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

Points forts

Utilise les services d'accès et de facturation existants du fournisseur de services en nuage, ainsi que des services partagés similaires.

Fournir une rampe d'accès facile aux ordinateurs quantiques, typiquement avec un modèle "pay as you go" (payez au fur et à mesure)

Donne accès 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 plus grande latence dans l'accès au dispositif quantique en raison des allers-retours sur le réseau et des files d'attente.

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

 

 

À l'avenir, les fournisseurs d'informatique en nuage pourraient héberger des dispositifs quantiques dans leurs centres de données parallèlement à leur matériel CPU et GPU traditionnel, minimisant ainsi les effets de latence et permettant une nouvelle catégorie d'applications hybrides quantiques-classiques à haut débit et à faible latence, telles que la détection des fraudes et le commerce à haute fréquence.

Logiciels/API

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

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

Certains fournisseurs, comme IonQ, ont décidé de prendre en charge les API d'autres fournisseurs plutôt que de développer leurs propres API. 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.

L'avenir verra un petit nombre d'API normalisées, fournies ou imposées par les grands fournisseurs de technologie/cloud (IBM/Amazon/Microsoft), sur lesquelles les fournisseurs de matériel d'informatique quantique s'appuieront.

Applications dans les services financiers

Dans leur quête de leadership en matière de contrôle de la qualité, les institutions financières vont probablement constater que le développement et la rétention des compétences et des talents deviendront un champ de bataille essentiel. Les leaders dans l'application des technologies quantiques verront leur sécurité, leur efficacité opérationnelle et l'efficacité de leurs produits augmenter de manière significative, 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 décrypter les cryptosystèmes actuels basés sur l'ICP avant au moins 10 à 12 ans, il y a un travail important à faire pour les préparer à contrer les menaces quantiques.

Un effet catalyseur dans d'autres secteurs

Le QC a des applications potentiellement transformatrices dans une série d'autres domaines.

Découverte de médicaments

L'informatique quantique améliorera le processus de découverte des médicaments en accélérant l'identification et la simulation des molécules. Les chercheurs auront ainsi accès à des combinaisons chimiques que l'informatique traditionnelle mettrait des dizaines d'années à mettre au point.

Cybersécurité

Les ordinateurs quantiques menacent l'épine dorsale de la sécurité des réseaux actuels, la cryptographie à clé publique RSA. Mais la technologie quantique permettra également de nouvelles formes de communication encore plus sûres.

Logistique

Le QC transformera nos chaînes d'approvisionnement en traitant des masses de données d'une complexité sans précédent liées à la capacité de production, à la géographie et à l'infrastructure, aux conditions météorologiques, à l'acheminement, à la capacité des voies ferroviaires et maritimes, et bien plus encore.

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 possibilités de modélisation de la réalité. Nous serons mieux à même de prévoir les phénomènes météorologiques extrêmes, de cartographier le changement climatique, de prédire comment le développement urbain affectera les émissions, de prévoir la croissance de la population, et bien plus encore.

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

TECHNOLOGIE ÉMERGENTE

Les acteurs du QC en ce moment

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

Outre les fournisseurs de matériel, dont chacun propose généralement ses propres bibliothèques logicielles (par exemple, IBM qiskit, D-Wave Ocean, Google Cirq), il existe également un certain nombre de fournisseurs de logiciels purement quantiques. Parmi eux :

Croissance du marché du contrôle qualité

2016

$89M

marché mondial de l'informatique quantique

2025

$949M

marché mondial de l'informatique quantique (projections)

30% CAGR de 2017 à 2025

Un grand potentiel en perspective

Les ordinateurs quantiques seront adaptés à certaines tâches. À court terme, les ordinateurs quantiques excelleront dans la résolution de problèmes numériques complexes et coexisteront avec les ordinateurs classiques existants pour créer des systèmes hybrides quantiques-classiques. L'hybridité est importante, car alors que l'informatique classique fournit des résultats tranchés, les ordinateurs quantiques fournissent des résultats sous forme de distributions de probabilités, générant des ensembles de réponses qui peuvent ensuite nécessiter un filtrage à l'aide d'ordinateurs classiques. Plus loin dans l'avenir, le CQ a le potentiel d'être transformateur. Elle 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, depuis les écologies terrestres jusqu'aux réseaux mondiaux d'offre et de demande, et bien d'autres choses encore. Quant à ses effets maximaux, l'horizon est ouvert. Des changements significatifs sont à venir sur le plan social et économique : Tout comme l'informatique classique, le QC transformera radicalement notre mode de vie. Mais l'histoire reste à écrire, et les prochaines décennies seront le témoin de ce que nos meilleurs esprits peuvent faire avec ce nouvel outil puissant.