L'état actuel de l'informatique quantique

L'informatique quantique est différente

L'informatique quantique consiste à utiliser la physique quantique pour effectuer des calculs, ce qui diffère des méthodes informatiques normales basées sur les semi-conducteurs. Au lieu de générer 0 et 1 (pas de courant ni de courant), il utilise des « bits quantiques », appelés qubits, où les données de particules sont soit 0 ET 1 à la fois, soit 1, soit 0.

En raison de la différence fondamentale dans la manière de calculer, l’informatique quantique n’est pas tant une alternative à l’informatique « normale » mais plutôt un complément.

L’informatique standard fonctionne de manière linéaire et peine à effectuer des calculs très complexes, comme la modélisation climatique, la cryptographie ou la configuration 3D de molécules complexes comme les protéines. Et c’est précisément dans ce type de calcul que l’informatique quantique devrait exceller.

Ainsi, même si nos ordinateurs portables et nos smartphones ne seront probablement jamais des ordinateurs quantiques, ils pourraient révolutionner la recherche scientifique.

L'informatique quantique est difficile

Ainsi, avec la promesse que les supercalculateurs quantiques seront mille fois plus performants que ceux existants, il n’est pas surprenant que de nombreuses recherches aient été menées pour en faire une réalité.

Mais le problème est que créer ne serait-ce qu’un seul qubit est techniquement très difficile. La première difficulté est que l’informatique quantique ne fonctionne qu’à des températures ultra-basses, une centaine de degrés au-dessus du zéro absolu. Ce n’est que dans ces conditions que certains matériaux uniques se transforment en supraconducteurs (matériaux sans résistance électrique). Ceci est énergivore, coûteux et difficile à réaliser.

Et puis, contrôler, manipuler et « lire » les données d’un qubit est également complexe, impliquant généralement des lasers ultra-précis, des microscopes atomiques et des capteurs. Enfin, toute interférence rendra le qubit inutile, un vide parfait doit donc également être réalisé.

Alors que les puces semi-conductrices manipulent la matière à l'échelle de quelques atomes seulement, l'informatique quantique cherche à traiter la matière à l'échelle des particules. Un ordinateur quantique fonctionnel nécessitera notamment des milliers de qubits pour rester stable et interagir entre eux.

L'informatique quantique progresse

Franchir le seuil des 1,000 XNUMX qubits

Une équipe dirigée par le professeur Gerhard Birkl du «Atomes – Photons – Quanta» groupe de recherche du Département de physique de TU Darmstadt en Allemagne vient de créer le plus grand ordinateur quantique jamais créé.

Ils ont créé un ordinateur quantique doté de 1,000 XNUMX qubits atomiques contrôlables individuellement, remportant ainsi une course sur le terrain contre de nombreuses autres équipes scientifiques.

Source: Optica

La barre des 1,000 XNUMX est en partie symbolique, mais elle correspond également au nombre qui devrait être nécessaire pour une application significative des ordinateurs quantiques. Moins que cela, il s’agit surtout d’une curiosité scientifique et d’une idée prometteuse, mais pas beaucoup plus.

La technique utilise des « pinces optiques », qui sont des lasers spéciaux capables de manipuler les atomes individuellement. Grâce aux progrès de la micro-optique, il s’agit de la technique la plus prometteuse de l’informatique quantique pour une méthode évolutive permettant de construire des systèmes beaucoup plus grands.

Source: Optica

"Comme le nombre de lentilles par centimètre carré atteint facilement 100,000 100 et que des plaquettes MLA d'une superficie de plusieurs XNUMX centimètres carrés peuvent être produites, elles présentent un énorme potentiel en termes d'évolutivité, limité uniquement par la puissance laser disponible."

Source: Optica

En perfectionnant l’utilisation de telles pinces optiques, le professeur Birkl a démontré qu’il était possible de concevoir de grands ordinateurs quantiques, dotés de milliers de qubits. Ceci, à son tour, fournira l’outil essentiel dont d’autres chercheurs ont besoin pour effectuer des calculs quantiques.

Des simulateurs quantiques pour résoudre la physique

De nombreux problèmes auxquels les physiciens sont aujourd’hui confrontés sont liés au comportement des particules à l’échelle quantique, ou du moins dès que plus de 30 particules sont simulées. Il s’agit d’un problème dans la mesure où les systèmes informatiques ordinaires ont du mal à gérer le comportement probabiliste des particules et la physique quantique en général.

Pour résoudre ce problème, la situation idéale serait de développer un «simulateur quantique" où les qubits peuvent simuler le comportement des particules quantiques. En effet, les qubits utilisent eux-mêmes les propriétés quantiques de enchevêtrement et superposition, qui sont les parties si difficiles à simuler dans un ordinateur normal.

Bien que les simulateurs quantiques soient essentiellement un type spécial d’ordinateur quantique, le problème jusqu’à présent a été de les rendre capables de simuler de nombreuses particules différentes au lieu de devoir concevoir un simulateur quantique personnalisé pour chaque question physique spécifique.

Natalia Chepiga et son groupe de recherche, professeur adjoint à Université de technologie de Delft aux Pays-Bas, aurait peut-être trouvé une solution.

Elle propose un protocole qui crée un simulateur quantique entièrement contrôlable dans un contexte scientifique. article publié dans Physical Review Letters. Cela fonctionne en utilisant deux lasers de fréquences ou de couleurs différentes, ajoutant ainsi une dimension supplémentaire au calcul. Théoriquement, cette méthode pourrait être étendue pour ajouter plus de 2 dimensions au calcul du simulateur quantique.

Source: Vous delft

Ce type de simulateur quantique pourrait donner un élan majeur à de nombreux efforts de recherche à la pointe de nos connaissances actuelles, notamment en physique ultra-froide (y compris les supraconducteurs), en semi-conducteurs, en sciences des matériaux, en télécommunications et en technologies énergétiques (en particulier les batteries).

QuDits au lieu de QuBits

La plupart des conceptions d'informatique quantique se concentrent sur les qubits, ce qui les rend plus faciles à manipuler/programmer et à en ajouter davantage. Une alternative consiste à utiliser des chiffres quantiques, ou « qudits ».

« Un ordinateur quantique avec x qubits peut effectuer 2^x calculs. Cependant, une machine avec x nombre de qudits, avec D représentant le nombre d'états par qudit, peut effectuer D^x nombre de calculs.

Cela signifie que vous pouvez coder les mêmes informations dans moins de particules quantiques lorsque vous utilisez des qudits.

Martin Ringbauer, physicien quantique à l'Université d'Innsbruck en Autriche en IEEE Spectrum

En termes plus simples, plus un système informatique quantique comporte de dimensions D, plus il devient exponentiellement puissant. En plus de ce calcul plus efficace utilisant des qudits au lieu de qubits, ils devraient être plus fiables et moins susceptibles de provoquer des erreurs de calcul que les qubits.

C'est donc une grande nouvelle que une équipe de chercheurs dirigée par Andrea Morello au USNW en Australie a créé un système informatique qudit à 16 dimensions hautement contrôlable. Avec D=16, toute quantité de qudits ajoutée au système augmente la capacité de calcul d'une puissance 16.

Pour y parvenir, ils ont utilisé un atome donneur de 123Sb (antimoine), implanté par ions dans un dispositif nanoélectronique en silicium.

« L’espace de Hilbert combiné de l’atome s’étend sur 16 dimensions et est accessible à l’aide de champs de contrôle électriques et magnétiques. Andréa Morello »

Ce système a obtenu des résultats remarquables ; notamment, « la rotation nucléaire montre déjà des fidélités de grille supérieures à 99 %, quel que soit le mécanisme d'entraînement ». L’atome d’antimoine constitue également une amélioration par rapport au 31P (phosphore) utilisé précédemment, car l’antimoine est un atome plus lourd et plus facile à manipuler.

Cette prouesse technique et scientifique est également en cours d'amélioration, notamment grâce à l'utilisation de 28Si (silicium) purifié isotopiquement, à l'élimination de la concentration résiduelle de 29Si et à l'amélioration de la fiabilité du système (temps de cohérence et fidélité des grilles).

État du développement de l’informatique quantique

Le domaine en est encore à ses balbutiements, avec de tout nouveaux concepts qui émergent encore, comme les qudits utilisables ou les simulateurs quantiques programmables.

Combiné aux progrès réalisés dans la création de systèmes de plus de 1,000 XNUMX qubits, cela montre que l’informatique quantique sera probablement un domaine scientifique très important dans les décennies à venir, avec un énorme potentiel inexploité.

Actuellement, la recherche en science des matériaux ou en biochimie est stimulée par l’IA, ce dont nous avons parlé dans notre article «Des industries disruptives se regroupent autour d’une technologie de base : l’intelligence artificielle (IA). »

Mais bientôt, dans les 5 à 10 prochaines années, nous pourrions commencer à voir des résultats pratiques des calculs informatiques quantiques. Le matériel passe désormais des expériences de pensée et des démonstrateurs en laboratoire aux prototypes d'ordinateurs de recherche commerciaux.

La prochaine étape consistera à développer des logiciels capables de maximiser le potentiel de l’informatique quantique et à commencer à produire des ordinateurs quantiques à grande échelle afin de réduire les coûts et d’assurer une certaine normalisation.

Ainsi, à bien des égards, l’informatique quantique en est au stade où les premiers ordinateurs centraux commerciaux sont apparus dans les années 1950 et 1960 avant de devenir un outil commercial et de recherche courant au cours des décennies suivantes.

Applications d'informatique quantique

Bien qu’il soit difficile de prédire exactement, nous connaissons déjà quelques segments qui bénéficieront grandement de la plus grande disponibilité de l’informatique quantique :

• Modélisation biochimique: de la détermination de la forme 3D d'une protéine à l'expression des gènes, le calcul des molécules biologiques complexes jusqu'aux atomes pourrait révolutionner la recherche en biotechnologie.
• Modélisation climatique: Les modèles climatiques sont extraordinairement complexes et repoussent les limites de ce que les supercalculateurs actuels peuvent faire. Une meilleure compréhension du climat, avec une échelle de calcul plus fine dans le modèle, tant géographiquement que temporellement, pourrait aider à comprendre les risques liés au changement climatique.
• Semi-conducteurs: Les ordinateurs quantiques pourraient être utilisés pour rendre les puces informatiques normales beaucoup plus puissantes. Alors que les puces « normales » atteignent désormais l’échelle nanométrique, les phénomènes quantiques deviennent de plus en plus problématiques et des ordinateurs quantiques pourraient être nécessaires pour les résoudre.
• Science matérielle: Mieux comprendre la physique quantique et la réaction des matériaux jusqu'aux atomes individuels peut ouvrir de nouvelles conceptions pour les matériaux utilisés dans l'aérospatiale, les batteries, l'impression 3D, la fabrication, etc.
• Cryptographie: Les ordinateurs quantiques pourraient potentiellement rendre obsolètes toutes les méthodes de cryptographie actuelles. Il s’agit d’une préoccupation majeure pour les systèmes militaires, financiers et informatiques. Mais en même temps, cela pourrait rendre la cryptographie encore plus sécurisée.

Actions en informatique quantique

1. International Business Machines Corporation

(IBM )

International Business Machines Corporation (IBM) a été le principal moteur de la commercialisation du premier ordinateur central. Cependant, il a pris du retard sur d’autres géants de la technologie comme Apple, TSMC et NVIDIA.

Il est pourtant à la pointe du développement des ordinateurs quantiques. Par exemple, elle a développé son ordinateur quantique « Eagle » de 127 qubits, qui a été suivi par un système de 433 qubits appelé « Osprey ».

Et c'est maintenant suivi de « Condor », un processeur quantique supraconducteur de 1,121 XNUMX qubits basé sur la technologie des portes à résonance croisée, associé à « Heron », un processeur quantique à la pointe du domaine.

Enfin, IBM a publié Qiskit 1.0 en février 2024, le SDK d'informatique quantique le plus populaire, avec des améliorations dans la construction de circuits, les temps de compilation et la consommation de mémoire par rapport aux versions précédentes.

IBM a déjà annoncé son prochain objectif majeur, anticipant que ses puces quantiques actuelles dépasseront l'infrastructure actuelle. Cet objectif est connu sous le nom d'« IBM Quantum System Two », un système modulaire capable de prendre en charge jusqu'à 16,632 XNUMX qubits.

Depuis sa création, IBM a toujours fait sa force dans le développement de supercalculateurs ultra-puissants, un segment de marché éclipsé par l'essor de l'électronique grand public et des puces standardisées. L'émergence de l'informatique quantique est l'occasion pour IBM de briller à nouveau et de devenir un leader dans ce segment crucial de l'informatique, destiné à la recherche scientifique et aux besoins informatiques des grandes entreprises.

2. Microsoft Corporation

Déjà leader des services cloud « normaux », Microsoft est un pionnier dans l'offre de services cloud d'informatique quantique avec Azur QuantumIl est tout à fait possible que la plupart des calculs quantiques du futur soient réalisés par des chercheurs « à distance », en s’appuyant sur des services cloud comme celui de Microsoft, au lieu d’un accès direct à leur propre ordinateur quantique.

Cela est d’autant plus probable qu’à terme, la plupart des applications de l’informatique quantique seront étudiées par des biochimistes, des experts en science des matériaux, des climatologues et d’autres spécialistes sans expérience spécifique en informatique quantique. Il est donc plus logique de s'appuyer sur des professionnels dévoués travaillant dans des entreprises comme IBM, Microsoft ou Google pour gérer la partie informatique que d'embaucher ou de former des personnes étrangères au domaine.

Le service peut également offrir « informatique hybride », mélangeant l'informatique quantique avec un service de supercalculateur traditionnel basé sur le cloud.

Source: Microsoft

Au lieu d'une intégration verticale, l'approche de Microsoft en matière d'informatique quantique a consisté à établir des partenariats avec des leaders du domaine couvrant pratiquement toutes les technologies possibles pour réaliser l'informatique quantique, comme IonQ (IONQ), Pascal, quantique, QCI (QUBT), et Rigetti (RGTI).

Source: Microsoft

L'informatique quantique n'est pas au cœur des activités de Microsoft, du moins pour l'instant. Elle n'en demeure pas moins un acteur majeur du secteur et pourrait constituer un choix d'action plus sûr que l'acquisition directe d'actions de ses partenaires en informatique quantique cotés en bourse, comme QCI ou Rigetti.

3. Alphabet Inc.

Google est très actif dans le domaine de l'informatique quantique, principalement via son laboratoire Google Quantum AI et son campus Quantum AI à Santa Barbara.

L'ordinateur quantique de Google est entré dans l'histoire en 2019 lorsque Google a affirmé avoir atteint la « suprématie quantique » avec sa machine Sycamore, effectuant en 200 secondes un calcul qui aurait pris 10,000 XNUMX ans à un superordinateur conventionnel.

Mais la plus grande contribution de Google résidera peut-être dans le logiciel, un domaine où il a une bien meilleure réputation que le matériel (recherche, GSuit, Android, etc.). L'IA quantique de Google propose déjà une suite logicielle conçue pour aider les scientifiques à développer des algorithmes quantiques.

Google pourrait probablement être l’une des sociétés qui établissent les normes en matière de logiciels et de programmation pour l’informatique quantique, offrant ainsi une place privilégiée pour déterminer les orientations futures du domaine.

4. Quantinum / Honeywell

Quantinuum est le résultat de la fusion de Honeywell Quantum Solutions et de Cambridge Quantum (et, comme mentionné, un partenaire du cloud computing quantique de Microsoft).

Quantinuum semble, pour l'instant, se concentrer sur des segments moins explorés par d'autres systèmes informatiques quantiques, notamment les analyses financières et liées à la chaîne d'approvisionnement, via son moteur Quantum Monte Carlo Integration (QMCI), lancé en septembre 2023.

QMCI s'applique à des problèmes qui n'ont pas de solution analytique, tels que la tarification des dérivés financiers ou la simulation des résultats d'expériences de physique des particules à haute énergie, et promet des avancées informatiques dans les domaines des affaires, de l'énergie, de la logistique de la chaîne d'approvisionnement et d'autres secteurs.

Comme pour Microsoft, l'informatique quantique n'est pas la partie centrale de l'activité d'Honeywell, mais plutôt centrée sur les produits de l'aérospatiale, de l'automatisation et des produits chimiques et matériaux de spécialité.

Cependant, étant donné que chacun de ces secteurs d’activité pourrait bénéficier de l’informatique quantique, il n’est pas difficile de voir l’intérêt commercial de Honeywell à s’impliquer.

Cela fait donc d'Honeywell à la fois un fournisseur de services d'informatique quantique et l'une des entreprises qui pourraient bénéficier de l'application des ordinateurs quantiques à des analyses de rentabilisation réelles, ce que l'intégration de Quantinuum dans le groupe devrait contribuer à favoriser à un rythme plus rapide que son activité industrielle. concurrents.

5. Intel

Intel est un important producteur de puces et semble vouloir exploiter cette force dans le domaine de l’informatique quantique.

Il a récemment publié "Tunnel Falls", le " puce qubit de spin en silicium la plus avancée ». Ce qui est remarquable, c'est qu'il ne s'agit pas d'un prototype mais d'une puce construite à grande échelle, avec un taux de rendement de 95 % sur la tranche et une uniformité de tension. Cela ouvre la voie à la production de masse de puces informatiques quantiques, ce qui est pour l’instant insaisissable dans une industrie naissante et en évolution rapide.

Source: Intel

Fidèle à ses racines, Intel développe également les logiciels permettant d'utiliser ses puces, avec la sortie du Kit de développement logiciel Intel Quantum. Cela fournit aux programmeurs les lignes directrices pour développer des logiciels pour l'informatique quantique compatibles avec la conception des puces quantiques Intel, qui a toujours été un atout commercial très solide et rentable pour l'activité de puces conventionnelles d'Intel.

Source: Intel

L’arrivée d’une fabrication évolutive de puces quantiques pourrait être aussi révolutionnaire pour l’industrie que toute autre avancée scientifique plus technique, réduisant les coûts et établissant des normes de programmation et des architectures de puces communes.

Intel est une entreprise qui sait par expérience à quel point cela peut être une force dans l'industrie informatique, toujours à la pointe de ses innovations et des brevets associés datant des années 1960.

6. FNB Defiance Quantum

Le secteur de l’informatique quantique est encore très jeune. Jusqu’à présent, elle a été principalement reprise par de grandes entreprises technologiques disposant de suffisamment de moyens pour financer des milliards de dollars dans ce type de recherche fondamentale.

Cependant, de nombreuses autres petites entreprises sont également actives dans le domaine, certaines s’associant auxdits géants pour déployer leur technologie.

Il peut être assez difficile pour les investisseurs non spécialisés de comprendre la complexité des différentes technologies informatiques quantiques, et encore plus de deviner laquelle sera commercialement réussie.

Ainsi, si l’investissement direct dans de petites startups d’informatique quantique est une option, une autre consiste à s’appuyer sur un ETF pour s’exposer au secteur tout en se diversifiant à moindre coût.

Le FNB Defiance Quantum contient 69 actions différentes liées à l'informatique quantique dans ses avoirs, y compris les développeurs d'ordinateurs et de puces quantiques, ainsi que les fournisseurs de systèmes de refroidissement, de lasers, de logiciels et d'autres technologies utilisées dans les ordinateurs quantiques ou la production de puces quantiques.

Source: FNB Défiance

Dans ce domaine en évolution rapide, la plupart des investisseurs, même ceux familiers avec l’industrie des semi-conducteurs, bénéficieront probablement d’un certain degré de diversification. Cela peut donc être réalisé soit en pariant sur des géants technologiques individuels faisant les bons choix de partenariat, soit sur un large éventail d’actions, ce qui est souvent réalisé plus efficacement grâce à un ETF dédié.