Les ordinateurs traditionnels, ou classiques, fonctionnent en manipulant des bits, qui peuvent être soit 0 soit 1. Ils excellent dans les tâches séquentielles et les calculs arithmétiques, mais montrent leurs limites face à des problèmes nécessitant une puissance de calcul exponentielle.
En revanche, les ordinateurs quantiques utilisent des qubits. Ces qubits peuvent exister dans un état de superposition, étant à la fois 0 et 1 simultanément, ce qui permet de traiter des informations de manière exponentiellement plus rapide. Cette capacité à gérer simultanément plusieurs états ouvre de nouvelles perspectives en cryptographie, optimisation et simulation de systèmes complexes.
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Plan de l'article
Les principes fondamentaux des ordinateurs classiques et quantiques
Pour comprendre les différences entre un ordinateur classique et un ordinateur quantique, il faut d’abord se pencher sur leurs principes fondamentaux. Les ordinateurs classiques sont basés sur des circuits électroniques manipulant des bits, qui peuvent être soit 0 soit 1. Cette binarité permet de réaliser des calculs séquentiels et des opérations logiques avec une grande précision. Toutefois, leur capacité à résoudre des problèmes complexes est limitée par leur architecture séquentielle.
En revanche, les ordinateurs quantiques exploitent les propriétés de la mécanique quantique pour traiter l’information. Le concept d’ordinateur quantique a été théorisé par Richard Feynman au début des années 1980. Ces machines utilisent des qubits, qui peuvent exister dans une superposition d’états 0 et 1 simultanément. Cette capacité, appelée superposition, leur permet de traiter de grandes quantités de données en parallèle. En 2012, John Preskill du California Institute of Technology a décrit la notion de suprématie quantique, où un ordinateur quantique surpasserait les performances des ordinateurs classiques pour certaines tâches.
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Les qubits peuvent aussi être intriqués, une propriété qui permet à l’état d’un qubit d’influencer l’état d’un autre, même à distance. Cette intrication est la clé de la puissance des ordinateurs quantiques, permettant des calculs beaucoup plus rapides pour certains problèmes complexes.
- Richard Feynman a théorisé l’ordinateur quantique au début des années 1980.
- John Preskill a décrit la suprématie quantique en 2012.
- California Institute of Technology est l’institution où John Preskill travaille.
La distinction entre les deux types d’ordinateurs repose donc sur la nature du traitement de l’information. Les ordinateurs classiques, bien qu’efficaces pour des tâches séquentielles, ne peuvent rivaliser avec la capacité des ordinateurs quantiques à gérer des calculs parallèles à grande échelle.
Le fonctionnement des bits et des qubits
Pour saisir pleinement la différence entre les ordinateurs classiques et quantiques, vous devez comprendre le fonctionnement des bits et des qubits. Les bits, unité fondamentale de l’ordinateur classique, prennent une valeur de 0 ou 1. Ces valeurs binaires permettent des opérations logiques élémentaires et des calculs séquentiels. Les ordinateurs classiques, bien que puissants, sont limités par cette binarité et leur capacité à traiter des données en parallèle.
Les qubits, en revanche, exploitent les propriétés de la mécanique quantique. Un qubit peut représenter simultanément les états 0 et 1 grâce à la superposition. Cette capacité unique permet aux ordinateurs quantiques d’effectuer des calculs en parallèle, dépassant les limitations des systèmes classiques pour certains types de problèmes. Les qubits peuvent être intriqués, ce qui signifie que l’état d’un qubit peut influencer celui d’un autre, même à distance.
Plusieurs entreprises innovent dans le domaine des qubits :
- PsiQuantum, Xanadu et Quandela utilisent des qubits photons.
- SaxonQ et XeedQ exploitent des qubits à base de cavités dans les diamants.
- Siquance et Diraq utilisent le spin dans le silicium.
Les technologies sous-jacentes varient, mais l’objectif reste le même : maximiser la capacité de calcul et la vitesse des opérations. Les qubits photons, par exemple, offrent une robustesse face aux perturbations environnementales, tandis que les qubits à base de cavités dans les diamants et le spin dans le silicium permettent des approches complémentaires pour la stabilité et la réduction des erreurs quantiques.
Applications et avantages des ordinateurs quantiques
Les ordinateurs quantiques, grâce à leur capacité à traiter des calculs complexes de manière exponentielle, ouvrent des perspectives nouvelles dans divers domaines. Google a annoncé en octobre 2019 avoir atteint la suprématie quantique avec son processeur Sycamore, capable de réaliser en 200 secondes un calcul qu’un ordinateur classique mettrait 10 000 ans à accomplir. Cette avancée a été contestée par IBM, qui affirme que les ordinateurs classiques peuvent toujours rivaliser pour certaines tâches spécifiques.
Les applications des ordinateurs quantiques sont vastes :
- En cryptographie, l’algorithme de factorisation de Peter Shor pourrait briser les systèmes de cryptage actuels.
- En chimie, la modélisation des molécules complexes devient possible, ouvrant la voie à des avancées en matière de nouveaux matériaux et médicaments.
- En logistique et optimisation, les ordinateurs quantiques peuvent résoudre des problèmes d’optimisation combinatoire plus rapidement que les ordinateurs classiques.
Des entreprises comme D-Wave et des projets comme le Jiuzhang 2 en Chine montrent l’intérêt mondial pour cette technologie. D-Wave a lancé le premier ordinateur quantique commercialisé en 2011, tandis que le Jiuzhang 2 utilise des qubits photons pour des calculs avancés.
Des personnalités telles qu’Alain Aspect, prix Nobel de physique en 2022 pour ses travaux sur l’intrication quantique, illustrent l’importance de la recherche fondamentale dans ce domaine. L’avenir des ordinateurs quantiques repose sur une combinaison d’innovations technologiques et de percées théoriques, promettant de transformer notre approche des problèmes complexes et de repousser les limites de la connaissance scientifique et technologique.
Défis et perspectives de développement des ordinateurs quantiques
Les défis des ordinateurs quantiques sont nombreux et complexes. La cohérence quantique, essentielle au fonctionnement des qubits, est fragile et sensible aux perturbations extérieures. La correction d’erreurs quantiques, sur laquelle travaillent des chercheurs comme Mazyar Mirrahimi et Zaki Leghtas, constitue un enjeu majeur. Les qubits doivent être isolés tout en restant accessibles pour les calculs, une équation délicate à résoudre.
L’Union européenne a pris des initiatives ambitieuses pour soutenir le développement de cette technologie. Le programme Quantum Flagship mobilise 5 000 chercheurs à travers l’Europe pour explorer les potentialités des ordinateurs quantiques. Parallèlement, le programme EuroHPC vise à équiper les centres de calculs européens avec des accélérateurs quantiques, intégrant ainsi ces machines dans les infrastructures existantes.
Le programme EuroQCI (European Quantum Communication Infrastructure) se concentre sur la création d’une infrastructure pan-européenne de communications quantiques, garantissant ainsi la sécurité des transmissions de données dans un futur où la cryptographie classique pourrait être compromise par les avancées en calcul quantique.
| Programme | Objectif |
|---|---|
| Quantum Flagship | Mobiliser 5 000 chercheurs pour explorer les potentialités des ordinateurs quantiques |
| EuroHPC | Équiper les centres de calculs européens avec des accélérateurs quantiques |
| EuroQCI | Prototyper et déployer une infrastructure pan-européenne de communications quantiques |
L’avenir des ordinateurs quantiques dépendra de la capacité à surmonter ces défis techniques et à intégrer les avancées dans des applications concrètes. Les collaborations internationales et les investissements publics et privés joueront un rôle déterminant dans cette course technologique.