ISIAS

"L’ordinateur quantique simule deux types de matériaux bizarres. C’est la première fois que de tels calculs ont été effectués à de telles échelles" par Emily Conover

Traduction et compléments de Jacques Hallard
mercredi 19 septembre 2018 par Conover Emily


ISIAS Physique
L’ordinateur quantique simule deux types de matériaux bizarres. C’est la première fois que de tels calculs ont été effectués à de telles échelles
Ajout d’une annexe sur l’informatique, les puces et les ordinateurs quantiques et de l’étude « Comprendre l’informatique quantique – qubits » par Olivier Ezratty, expert FrenchWeb6 12/07/2018
L’article d’origine de Emily Conover a été publié le 28 août 2018 par Science News Quantum Physics, Technology sous le titre « Quantum computer simulates two types of bizarre materials  » ; il est accessible sur ce site : https://www.sciencenews.org/article/quantum-computer-d-wave-simulations

D-Wave quantum computer

QUANTUM COPYCAT – Une sorte d’imitateur quantique - Un ordinateur quantique construit par la société D-Wave (dont une puce quantique est présentée ci-dessus), a permis d’étudier deux matériaux différents, dans les plus grandes simulations dans leur genre. D-Wave.

Selon Wikipédia, « Un copycat est un imitateur agissant de manière similaire à une action lue dans les médias. Il peut s’agir de tuer suivant le modus operandi d’un tueur en série tel que les médias l’ont décrit, d’effectuer un (ou des) braquage(s) ou de se suicider de la même manière qu’une personne réelle ou qu’un personnage de roman à succès. L’effet copycat est le comportement de mimétisme favorisé par la publicité médiatique accordée à un acte particulièrement dramatique (Copycat crime (en) ou effet Werther)… Article complet sur ce site : https://fr.wikipedia.org/wiki/Copycat ].

D’après Wikipédia, « D-Wave (D-Wave Systems) se présente comme première entreprise d’informatique quantique au monde, fondée en 1999 et basée en Colombie-Britannique (Canada). Elle annonce en 2007 avoir construit le prototype d’un processeur de 28 qubits permettant de faire du recuit simulé quantique. Le 11 mai 2011, elle annonce son système D-Wave One comme le premier calculateur quantique commercial. C’est un processeur de 128 qubits basé sur la méthode du recuit simulé quantique. En septembre 2016, elle communique sur sa prochaine génération de processeurs contenant 2000 qubits. Plusieurs experts rappellent que le système D-Wave n’est pas un calculateur quantique général, et qu’hormis les calculs de recuit simulé, il ne présente pas d’avantage particulier sur un ordinateur classique. Les ingénieurs de Google qui ont testé D-Wave avouent qu’il n’a pour l’instant pas d’applications1, ce qui a conduit Google à développer ses propres circuits quantiques à partir de 20142… » Article complet sur ce site : https://fr.wikipedia.org/wiki/D-Wave ].

Des scientifiques ont utilisé un ordinateur quantique pour effectuer des simulations à grande échelle avec deux types de matériaux quantiques. Ces études ont porté sur environ 2.000 bits quantiques, ou qubits. Soit beaucoup plus que les dizaines de qubits qui sont actuellement disponibles dans la plupart des ordinateurs quantiques.

[Qubit – D’après wikipédia « En informatique quantique, un qubit ou qu-bit (quantum + bit ; prononcé /kju.bit/), parfois écrit qbit, est l’état quantique qui représente la plus petite unité de stockage d’information quantique. C’est l’analogue quantique du bit. En informatique quantique, un qubit ou qu-bit (quantum + bit ; prononcé /kju.bit/), parfois écrit qbit, est l’état quantique qui représente la plus petite unité de stockage d’information quantique. C’est l’analogue quantique du bit… » Article complet sur ce site : https://fr.wikipedia.org/wiki/Qubit ].

[On peut aussi se reporter à l’étude « Comprendre l’informatique quantique – qubits  ». Par Olivier Ezratty, expert FrenchWeb. 12/07/2018].

[D’après Wikipédia, « Richard Phillips Feynman (1918-1988) est un physicien américain, l’un des plus influents de la seconde moitié du XXe siècle, en raison notamment de ses travaux sur l’électrodynamique quantique, les quarks et l’hélium superfluide. Il reformula entièrement la mécanique quantique à l’aide de son intégrale de chemin qui généralise le principe de moindre action de la mécanique classique et inventa les diagrammes qui portent son nom et qui sont désormais largement utilisés en théorie quantique des champs (dont l’électrodynamique quantique fait partie). Pendant la Seconde Guerre mondiale, il fut impliqué dans le développement de la bombe atomique américaine. Après la Seconde Guerre mondiale, il enseigna à l’université Cornell puis au Caltech où il effectua des travaux fondamentaux notamment dans la théorie de la superfluidité et des quarks. Sin-Itiro Tomonaga, Julian Schwinger et lui sont colauréats du prix Nobel de physique de 1965 pour leurs travaux en électrodynamique quantique1. Vers la fin de sa vie, son action au sein de la commission d’enquête sur l’accident de la navette spatiale Challenger l’a fait connaître du grand public américain. Pédagogue remarquable, il est le rédacteur de nombreux ouvrages de vulgarisation reconnus. Parmi ces livres, les Feynman lectures on physics, un cours de physique de niveau universitaire qui, depuis sa parution, est devenu un classique pour tous les étudiants de premier cycle en physique et leurs professeurs. Il raconte aussi ses nombreuses aventures dans plusieurs ouvrages : Surely You’re Joking, Mr. Feynman ! (paru en français sous le titre Vous voulez rire, monsieur Feynman !) et What Do You Care What Other People Think ? (paru en français sous le titre Vous y comprenez quelque chose, Monsieur Feynman ?). Ce tome est lié au soutien moral que sa première épouse Arline lui donnait, l’encourageant par ce biais dans sa poursuite intellectuelle en tant que libre-penseur… » Lire l’article complet sur ce site : https://fr.wikipedia.org/wiki/Richard_Feynman ].


Les résultats, publiés dans deux études récentes dans la revue ‘Science and Nature’, fournissent une nouvelle réalisation de la vision du physicien Richard Feynman, qui espérait utiliser les ordinateurs quantiques - plutôt que des ordinateurs basés sur la physique standard classique, pour simuler des systèmes quantiques et leurs comportements. ’La nature n’est pas conventionnelle ouclassique, et si vous voulez faire une simulation de la nature, vous feriez mieux de la rendre mécanique et quantique’, avait déclaré en 1981.

Exécutées sur un ordinateur construit par D-Wave Systems Inc., - voir aussi D-Wave Systems - Wikipedia - de Burnaby, [province de la Colombie-Britannique au Canada, dans le district régional du Grand Vancouver ] au Canada, les simulations fournissent un moyen d’étudier les phénomènes qui sont très difficiles à reproduire avec des ordinateurs classiques. « Ce sont vraiment d’assez belles pièces de la recherche scientifique », explique le physicien Seth Lloyd, chercheur au MIT : « elles sont capables de reproduire toutes sortes de phénomènes prédits ».

[Selon Wikipédia, « Seth Lloyd, né le 2 août 1960, est un professeur de génie mécanique au Massachusetts Institute of Technology et un spécialiste de mécanique quantique, connu pour avoir établi la limite de Lloyd, qui majore le nombre de bits d’information traités par l’univers depuis le Big Bang. Cette limite est estimée par ses calculs à 10120 bits… »

Les machines de D-Wave ont cependant suscité le scepticisme et certains physiciens ne sont pas convaincus de l’importance des nouveaux résultats.

https://www.sciencenews.org/sites/d...

ICE CHIPS - La puce quantique de D-Wave doit être refroidie à des températures proches du zéro absolu en utilisant un réfrigérateur à dilution (illustré ci-dessus). D-Wave.

[D’après Wikipédia, « Un réfrigérateur à dilution 3He/4He est un dispositif cryogénique qui fournit un refroidissement continu aux températures aussi basses que 2 mK, sans pièces mobiles dans la région à basse température1. La puissance frigorifique est fournie par la chaleur de mélange des deux phases liquides riches en hélium 3 et en hélium 4, respectivement. C’est la seule méthode de réfrigération continue pour atteindre des températures au-dessous de 0,3 K2. Le réfrigérateur à dilution a été d’abord proposé par Heinz London (en) au début des années 1950 et a été expérimentalement réalisé en 1964 dans Kamerlingh Onnes Laboratorium à l’Université de Leyde3… » ].

Dans une étude publiée le 22 août 2018 dans la revue scientifique ‘Nature’, les physiciens de ‘D-Wave’ décrivent un stimulateur de la physique avec un matériau magnétique à deux dimensions, permettant l’identification d’une transition dans laquelle des anomalies tourbillonnantes connues comme desvortex qui s’apparient dans le matériau lorsque la température baisse. La prédiction théorique de cette transition de phase a reçu le prix Nobel de physique 2016, et le phénomène est pertinent pour la physique des supraconducteurs, des matériaux qui transmettent l’électricité sans résistance aux basses températures (SN :. 10/29/16, p 6). les résultats de la simulation en correspondance de la sortie Des simulations effectuées sur des ordinateurs classiques.

[D’après Wikipédia, « En physique, une transition de phase est une transformation du système étudié provoquée par la variation d’un paramètre extérieur particulier (température, champ magnétique...). Cette transition a lieu lorsque le paramètre atteint une valeur seuil (plancher ou plafond selon le sens de variation). La transformation est un changement des propriétés du système ; cela peut être :

  • la transformation d’un système thermodynamique d’une phase à une autre : fusion, ébullition, sublimation, etc. ;
  • le changement de comportement magnétique d’une pièce métallique ou céramique :
  • la condensation quantique de fluides bosoniques en condensat de Bose-Einstein ;
  • la disparition de symétrie dans les lois de la physique au début de l’histoire de l’Univers quand sa température diminue ;
  • la transition de phase que semble subir la matière nucléaire à certaines énergies1.
    Les transitions de phase ont lieu lorsque l’enthalpie libre G (aussi appelle énergie libre de Gibbs) d’un système n’est pas une fonction analytique (par exemple non-continue ou non-dérivable) pour certaines variables thermodynamiques. Cette non-analyticité provient du fait qu’un nombre extrêmement grand de particules interagissent ; ceci n’apparaît pas lorsque les systèmes sont trop petits… » ].

Une autre simulation, rapportée le 13 juillet 2018 dans la revue ‘Science’, reproduit le comportement d’un matériau 3-D qui présente une transition entre les différentes phases magnétiques lorsque les chercheurs ont changé des variables telles qu’un champ magnétique appliqué. Les phases observées comprenaient un état désordonné connu comme un verre de spin.

[D’après Wikipédia « Les verres de spin sont des alliages métalliques comportant un petit nombre d’impuretés magnétiques disposées au hasard dans l’alliage. À chaque impureté est associée un spin. Le couplage entre ces différents spins peut être plus ou moins intense - attractif ou répulsif - en fonction de la distance qui les sépare. Les physiciens les modélisent statistiquement par des spins d’Ising (plus ou moins un) couplés par des constantes aléatoires représentant le désordre. Ces constantes évoluent lentement à mesure que le verre de spin vieillit et que les impuretés diffusent, c’est pourquoi ces couplages sont dits gelés, ou indépendant du temps (quenched). Souvent, on considère que ces couplages suivent une distribution gaussienne. En physique théorique, parler des verres de spin revient à parler de ces modèles (cf ci-dessous). Mais il existe de nombreuses réalisations expérimentales de ces systèmes. Les verres de spin constituent le paradigme des systèmes désordonnés, qui, avec la physique des processus hors équilibre, constituent une grande part des travaux de ce domaine dans les dernieres années. Les verres de spin sont dits frustrés : selon des chemins différents, deux spins se donnent des instructions contradictoires… » Article complet à lire sur ce site : https://fr.wikipedia.org/wiki/Verre_de_spin ].

’D’autres équipes de chercheurs ont reproduits des simulations avec des ordinateurs quantiques (SN Online : 1/22/10), mais ces simulations mettaient en jeu moins de qubits. « A cette échelle, c’est la première fois que ce type de calcul est fait », explique le scientifique en chef de D-Wave, Mohammad Amin, co-auteur de l’étude de ‘Nature’. Plus il y a de qubits en jeu, et plus il y a de particules que les physiciens peuvent simuler, permettant ainsi à l’ordinateur de mieux imiter la physique qui se produit lorsque de nombreux atomes se réunissent dans des matériaux solides.

Vendus dans le commerce depuis 2011, les ordinateurs de D-Wave ont attisées des controverses. Les scientifiques ont débattu pour savoir si les machines quantiques présentent vraiment un comportement quantique - comme les liens fantasmagoriques entre les particules distantes appelées enchevêtrement - et si les ordinateurs peuvent travailler plus vite que les ordinateurs classiques (SN : 7/26/14, p. 6).

Les nouveaux résultats donnent un coup de pouce à la crédibilité de D-Wave en suggérant que les effets quantiques se produisent vraiment à l’intérieur de l’ordinateur. « Il ne semble pas que ce soit le cas qu’ils utilisent un processus quantique pour simuler un autre processus quantique », explique le physicien Daniel Lidar de l’Université de Californie du Sud à Los Angeles. Bien que les résultats ne fournissent pas de preuves directes que l’ordinateur présente des effets quantiques, « il semble peu probable que ... cela aurait été un tel succès s’il avait fonctionné d’une façon tout à fait conventionnelle ettout à fait classique ».

Pourtant, certains sceptiques sont impassibles devant ces résultats. « Ils n’ont pas abordé du tout le fait que ce soit un système quantique qu’ils ont produit », dit le physicien Graeme Smith du centre de recherche JILA à Boulder, au Colorado. Et les nouvelles études n’ont pas tenté de répondre à la question de savoir si D-Wave fonctionne plus rapidement qu’un ordinateur classique.

L’ordinateur quantique de D-Wave est un type spécialisé, sur la base d’un processus appelé recuit quantique.

[Selon Wikipédia, « Le recuit simulé est une méthode empirique (métaheuristique) inspirée d’un processus utilisé en métallurgie. On alterne dans cette dernière des cycles de refroidissement lent et de réchauffage (recuit) qui ont pour effet de minimiser l’énergie du matériau. Cette méthode est transposée en optimisation pour trouver les extrema d’une fonction. Elle a été mise au point par trois chercheurs de la société IBM, S. Kirkpatrick, C.D. Gelatt et M.P. Vecchi en 1983, et indépendamment par V. Černy en 1985. La méthode vient du constat que le refroidissement naturel de certains métaux ne permet pas aux atomes de se placer dans la configuration la plus solide. La configuration la plus stable est atteinte en maîtrisant le refroidissement et en le ralentissant par un apport de chaleur externe, ou bien par une isolation… ».

Par ailleurs, « Le calcul quantique adiabatique (en anglais, adiabatic quantum computation ou AQC) est une méthode de calcul quantique reposant sur le théorème adiabatique1, qui peut être vu comme une sous-classe des méthodes de recuit simulé quantique2,3,4,5,6… » Article àlire sur ce site : https://fr.wikipedia.org/wiki/Calcul_quantique_adiabatique ].

Alors que les ordinateurs actuellement en cours de développement par Google, IBM, Intel et d’autres, sont destinés à être utilisés à des fins générales et peuvent réaliser des prouesses actuellement impossibles, comme casser les systèmes de cryptage de données ( SN :. 08/07/17, p 28), les ordinateurs de recuit quantique sont surtout utiles pour résoudre un certain type de problèmes, appelés problèmes d’optimisation, dans lesquels l’ordinateur doit choisir la meilleure option parmi de nombreuses possibilités. Les ordinateurs de D-Wave ont déjà été utilisés pour de tels problèmes, comme passer au crible les données d’un collisionneur de particules [voir sifting through particle collider data] , ou encore détecter des arbres dans des images aériennes [voir Deploying a quantum annealing processor to detect tree cover in aerial imagery of California ], ou bien choisir le meilleur itinéraire pour le déplacement des taxis autour de Pékin [voir Traffic flow optimization using a quantum annealer ]

L’utilisation du matériel de D-Wave pour simuler des systèmes quantiques ouvre de nouvelles possibilités pour les ordinateurs, explique le physicien Davide Venturelli du laboratoire ‘Universities Space Research Association’s Quantum Artificial Intelligence Lab’ (le laboratoire d’intelligence artificielle de l’Association de recherche spatiale des universités), auprès du centre ‘NASA Ames Center’, basé à Moffett Field, en Californie.

[D’après Wikipédia, « Le Ames Research Center est situé aux États-Unis à Moffett Field, en Californie au cœur de la Silicon Valley. Il a été créé le 20 décembre 1939 en tant que partie du National Advisory Committee for Aeronautics (NACA) pour assurer une supériorité militaire et civile des Américains en matière d’aviation. Par la suite Ames s’est orienté vers le domaine de l’exploration spatiale et les technologies de l’information. Il ne conserve qu’une activité faible dans le domaine de l’aviation1. Son nom est un hommage à Joseph Sweetman Ames, un des fondateurs du NACA2… » Article complet à lire sur ce site : https://fr.wikipedia.org/wiki/Ames_Research_Center ].

Les études en cours « donneront aux chercheurs beaucoup d’idées de recherche avec l’intelligence artificielle et pour savoir quoi faire avec la machine de D-Wave », déclare encore Davide Venturelli.

Citations

A.D. King et al. Observation of topological phenomena in a programmable lattice of 1,800 qubits. Nature. Vol. 560, August 23, 2018, p. 456. doi:10.1038/s41586-018-0410-x.

R. Harris. Phase transitions in a programmable quantum spin glass simulator. Science. Vol. 361, July 13, 2018, p. 162. doi:10.1126/science.aat2025.

Further Reading

E. Conover. Nobel awarded for using math of shapes to explain exotic matter. Science News. Vol. 190, October 29, 2016, p. 6.

E. Conover. Quantum computers are about to get realScience News. Vol. 191, July 8, 2017, p. 28.

A. Grant. Google’s quantum computer speeds up, but practical use is unclear. Science News Online, December 11, 2015.

A. Grant. Commercial quantum computer fails to impress in new test. Science News. Vol. 186 No. 2, July 26, 2014, p. 6.

C. Petit. Quantum on Quantum. Science News. Vol. 177, February 27, 2010, p. 28.

C. Petit. Quantum computer simulates hydrogen molecule just right. Science News Online, January 22, 2010.

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Annexe

Documents sur l’informatique, les puces et les ordinateurs quantiques

Sommaire des articles sélectionnés

1. Informatique quantique : une nouvelle puce de Google pourrait bientôt dépasser les supercalculateurs - Par Steve Ranger Mardi 06 Mars 2018 - Suivre @zdnetfr

2. Wikipédia - Uncalculateur quantique

3. Une puce quantique photonique de 49 qubits et une nouvelle solution - Pour booster la puissance des systèmes de calcul quantique analogiques - Le 18 mai 2018, par Christian Olivier,

4. Les scientifiques chinois ont développé une puce photonique quantique pour stimuler l’informatique quantique analogique - French.china.org.cn - Mis à jour le 16. 05. 2018 

5. Programmation d’une puce quantique en silicium 2 mars 2018

1.
Informatique quantique : une nouvelle puce de Google pourrait bientôt dépasser les supercalculateurs - Par Steve Ranger | Mardi 06 Mars 2018 - Suivre @zdnetfr

Technologie : Le nouveau processeur Bristlecone de 72 qubits pourrait offrir une ’suprématie quantique’ par rapport à l’informatique traditionnelle, espèrent les chercheurs de Google.

Le Lab Quantum AI de Google vient de faire la démonstration d’un nouveau processeur quantique de 72 qubits appelé ’Bristlecone’, qui pourrait bientôt atteindre la ’suprématie quantique’ en surpassant un supercalculateur classique sur certains problèmes.

https://www.zdnet.fr/i/edit/ne/2017...;

La suprématie quantique est une étape clé dans le voyage vers l’informatique quantique. L’idée est que si un processeur quantique peut fonctionner avec des taux d’erreur suffisamment bas, il pourrait surpasser un supercalculateur classique sur un problème informatique bien défini.

L’informatique quantique est un domaine d’un grand intérêt parce que si les ordinateurs quantiques peuvent être construits à une échelle suffisamment grande, ils pourraient rapidement résoudre des problèmes qui ne peuvent pas être traités par les ordinateurs traditionnels. C’est pourquoi les plus grands noms de la technologie se lancent dans des projets d’informatique quantique. En janvier, Intel a annoncé sa propre puce quantique de 49 qubits, par exemple.

’Prudemment optimiste’

’Nous sommes prudemment optimistes sur le fait que la suprématie quantique peut être atteinte avec Bristlecone’ a déclaré Julian Kelly, chercheur au Quantum AI Lab. ’Nous croyons que la démonstration expérimentale d’un processeur quantique surpassant un superordinateur ser un moment décisif pour notre domaine. Cela demeure l’un de nos principaux objectifs’ a Julian déclaré Kelly - bien qu’il ne mentionne pas de délai pour cette réalisation.

Si un processeur quantique doit exécuter des algorithmes dépassant le cadre des simulations classiques, un grand nombre de qubits est requis, ainsi que de faibles taux d’erreur sur les opérations de lecture et les opérations logiques.

Bien que les chercheurs n’aient pas encore atteint la suprématie quantique, Google pense qu’elle peut être démontrée avec 49 qubits, une profondeur de circuit dépassant 40, et une erreur de deux bits inférieure à 0,5 pour cent.

Progression rapide

Google a déclaré que son nouveau dispositif Bristlecone à 72 qubits utilise le même schéma de couplage, de contrôle et de lecture que son précédent réseau linéaire de 9 qubits. Avec le nouveau processeur, les chercheurs cherchent à obtenir des performances similaires aux meilleurs taux d’erreur du dispositif à 9 qubits, mais désormais sur les 72 qubits de Bristlecone. Le dispositif à 9 qubits présentait de faibles taux d’erreur pour la lecture (un pour cent).

’Nous croyons que Bristlecone serait alors une preuve de principe convaincante pour la construction d’ordinateurs quantiques à plus grande échelle’ a déclaré Julian Kelly.

Toutefois, il a ajouté : ’L’utilisation d’un appareil tel que Bristlecone nécessite l’harmonie entre une pile complète de technologies allant du logiciel et de l’électronique de commande au processeur lui-même. Pour y arriver, il faut une ingénierie système rigoureuse sur plusieurs itérations’.

Google : la connexion à Chrome est maintenant liée aux services Google

A lire aussi :

Google : la connexion à Chrome est maintenant liée aux services Google

Google a changé sa politique en matière de connexion sur Chrome : s’identifier Gmail ou sur les services Google … Source : https://www.zdnet.fr/actualites/informatique-quantique-une-nouvelle-puce-de-google-pourrait-bientot-depasser-les-supercalculateurs-39865072.htm

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2.
Wikipédia - Un calculateur quantique (anglais quantum computer parfois traduit ordinateurnote 1 quantique, ou système informatique quantique1), utilise les propriétés quantiques de la matière, telle que la superposition et l’intrication afin d’effectuer des opérations sur des données. À la différence d’un ordinateur classique basé sur des transistors qui travaille sur des données binaires (codées sur des bits, valant 0 ou 1), le calculateur quantique travaille sur des qubits dont l’état quantique peut posséder plusieurs valeurs.

De petits calculateurs quantiques ont été construits à partir des années 1990. Jusqu’en 2008, la difficulté majeure concerne la réalisation physique de l’élément de base : le qubit. Le phénomène de décohérence (perte des effets quantiques en passant à l’échelle macroscopique) freine le développement des calculateurs quantiques. Le premier processeur quantique est créé en 2009 à l’université Yale : il comporte deux qubits composés chacun d’un milliard d’atomes d’aluminium posés sur un support supraconducteur.

Ce domaine est soutenu financièrement par plusieurs organisations, entreprises ou gouvernements en raison de l’importance de l’enjeu : au moins un algorithme conçu pour utiliser un circuit quantique, l’algorithme de Shor, rendrait possible de nombreux calculs combinatoiresnote 2 hors de portée d’un ordinateur classique en l’état actuel des connaissances. La possibilité de casser les méthodes cryptographiques classiques est souvent mise en avant.

Sommaire de l’article Wikipédia

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3.
Une puce quantique photonique de 49 qubits et une nouvelle solution - Pour booster la puissance des systèmes de calcul quantique analogiques

Le 18 mai 2018, par Christian Olivier, Chroniqueur Actualités

En dépit des progrès importants réalisés dans le domaine de l’informatique quantique, l’avènement de machines quantiques capables de surpasser et de remplacer les ordinateurs classiques dans des opérations de calcul bien spécifiques reste encore un défi.

Actuellement, on distingue principalement deux types de systèmes informatiques quantiques (SIQ) : les SIQ classiques et les SIQ adiabatiques. Les partisans de l’approche favorable aux SIQ classiques cherchent à mettre au point un ordinateur quantique « universel », dont les qubits peuvent être traités en utilisant les mêmes principes qui ont fait leurs preuves avec des dispositifs numériques conventionnels. Les promoteurs de l’approche favorable aux SIQ adiabatiques cherchent à mettre au point un ordinateur quantique dont le fonctionnement se rapproche des ordinateurs analogiques du milieu du siècle passé (1940-1970), qui nécessite la création d’algorithmes bien spécifiques. Un calculateur analogique permet d’effectuer toutes les opérations en parallèle. Les ordinateurs analogiques ont été spécifiquement conçus pour résoudre des systèmes d’équations différentielles et travailler sur des variables continues.

Dans le cadre d’une étude portant sur l’informatique quantique, des chercheurs chinois ont démontré qu’il est possible de concevoir une « ;marche quantique ; » (quantum walks) bidimensionnelle de photons individuels dans un « ;espace spatial réel ; » en exploitant la géométrie externe des réseaux d’évolution, plutôt que le degré interne de libertés des photons.

Soulignons au passage que les marches quantiques sont les équivalents quantiques des marches aléatoires classiques. Ces marches permettent de simuler l’évolution à temps discret d’une particule quantique sur un graphe, mais aussi, de concevoir de nouveaux algorithmes quantiques.

La puissance quantique est fortement liée aux caractéristiques, notamment spatiales, des marches quantiques. Il est possible de faire varier cette puissance quantique en jouant, par exemple, sur le nombre de photons. Mais cette méthode occasionnerait, selon les chercheurs chinois, la génération probabiliste de photons individuels ainsi qu’une perte multiplicative.

Cette étude a prouvé que la dimension et la taille d’un système quantique pouvaient être exploitées comme de nouvelles ressources afin de stimuler la puissance de calcul quantique. Par conséquent, il est possible d’accroitre les dimensions physiques externes et la complexité d’un système quantique analogique sans forcément recourir à l’augmentation du nombre de photons.

Les scientifiques chinois ont également présenté une puce photonique quantique tridimensionnelle de 49 qubits qui a été mise au point grâce à une technologie de gravure directe exploitant un laser femtoseconde. Ce laser a la particularité de produire des impulsions ultra-courtes dont la durée est de l’ordre de quelques femtosecondes à quelques centaines de femtosecondes, ce qui correspond à l’ordre de grandeur de la période d’une onde électromagnétique du visible. Jin Xianmin, chercheur en communication quantique de l’Université Jiaotong de Shanghai, qui a dirigé cette étude, a confié qu’il s’agit de la plus grande puce de ce type présentée à ce jour.

Photo - Les ordinateurs quantiques analogiques seraient plus faciles à mettre au point que leurs homologues universels puisqu’ils sont moins tributaires de l’intégration de système de correction d’erreur viable et fiable. De ce fait, ils pourraient constituer un compromis intéressant entre le besoin de solutions de calcul performantes basées sur l’informatique quantique et les limitations imposées par les systèmes de calculs traditionnels actuels.

Par ailleurs, le concept de la suprématie quantique, si chère à Google, pourrait être plus rapidement exploré et éprouvé sur une plateforme similaire exploitant des modèles de calcul quantique analogique comme l’échantillonnage de Boson en attendant l’avènement des systèmes quantiques universels.

Les résultats de cette étude ont été publiés dans la revue Science Advances. Ces travaux devraient contribuer à stimuler le développement de l’informatique quantique analogique et de nouvelles tâches de calcul quantique.

Source : Science Advences

Voir aussi :

https://www.developpez.net/forums/i...Une équipe de scientifiques russo-américaine présente le premier ordinateur quantique à 51 qubits, il dépasse largement les prototypes précédents
https://www.developpez.net/forums/i...IBM conçoit un processeur de 50 qubits et évoque la suprématie quantique, comment se traduit ce nombre de qubits dans la réalité ?
https://www.developpez.net/forums/i...IBM réalise une percée technologique importante pour propulser l’adoption des ordinateurs quantiques avec ses travaux sur l’analyse des molécules
https://www.developpez.net/forums/i...Google présente Bristlecone, son nouveau processeur quantique de 72 qubits avec lequel l’entreprise compte prouver la suprématie quantique

Source : https://www.developpez.com/actu/204309/Une-puce-quantique-photonique-de-49-qubits-et-une-nouvelle-solution-pour-booster-la-puissance-des-systemes-de-calcul-quantique-analogiques/

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4.
Les scientifiques chinois ont développé une puce photonique quantique pour stimuler l’informatique quantique analogique - French.china.org.cn - Mis à jour le 16. 05. 2018 | Mots clés : puce,quantique

Illustration - Les scientifiques chinois ont démontré la première « marche quantique » (quantum walks) bidimensionnelle de photons individuels dans un « espace spatial réel », ce qui pourrait apporter une plateforme puissante pour stimuler l’informatique quantique analogique.

Dans un article publié vendredi dernier dans le journal Science Advances, ils ont présenté une puce photonique tridimensionnelle avec une échelle allant jusqu’à 49 qubits, en utilisant une technique appelé écriture directe femtoseconde.

Jin Xianmin, un chercheur en communication quantique de l’Université Jiaotong de Shanghai, qui a dirigé cette étude, explique qu’il s’agit de la puce la plus grande présentée jusqu’à présent. Celle-ci permet la réalisation d’une marche quantique bidimensionnelle dans un « espace spatial réel » et l’exploration potentielle d’un grand nombre de nouvelles tâches de calcul quantique.

Jin Xianmin et ses collègues ont montré que la dimension et la taille d’un système quantique pouvaient être employées comme de nouvelles ressources permettant de stimuler la puissance de calcul quantique.

D’après eux, les ordinateurs quantiques universels ont commencé à susciter un grand intérêt l’année dernière, avec la concurrence constante d’IBM, de Google, d’Intel et de leurs rivaux pour annoncer leurs nouveaux records du nombre de qubits atteint.

Source : http://french.china.org.cn/business/txt/2018-05/16/content_51344970.htm Retour au sommaire de l’annexe

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5.
Programmation d’une puce quantique en silicium

2 mars 2018, 16:42

Programmation d’une puce quantique en silicium

Programmation d’une puce quantique en silicium

La technologie quantique progresse rapidement. Les chercheurs sont désormais capables de commander quelques qubits (analogues quantiques des bits) avec une grande fiabilité ; il est donc temps de passer à ce qui ressemblera plus à un véritable ordinateur. Pour être exploitables, les puces quantiques doivent être programmables : c’est-à-dire capables d’effectuer un calcul arbitraire. Les chercheurs de QuTech (Delft, Pays-Bas) ont développé un processeur quantique programmable à deux qubits. Le substrat est en silicium et ils ont mis au point deux algorithmes quantiques. Cette recherche a été publiée dans la revue Nature.

Perspectives

L’ordinateur quantique du futur va changer la donne des calculs complexes. En utilisant la superposition quantique et l’enchevêtrement de bits quantiques (qubits), les calculs peuvent être conduits en parallèle. Selon le professeur Lieven Vandersypen, de cette façon, les calculs qui sont actuellement impossibles comme la factorisation de grands nombres (pour trouver les nombres premiers) et la recherche dans de grandes listes non ordonnées deviennent envisageables, dans un futur relativement proche.

Calculs programmables

Au fil des ans, les chercheurs ont réussi à réaliser des qubits toujours meilleurs. Les qubits discrets peuvent maintenant être contrôlés et mesurés avec une fiabilité suffisante pour que leur programmation soit envisageable. Pour être capable de faire des calculs quantiques universels, il faut réaliser des opérations permettant de contrôler individuellement les qubits et des opérations capables d’enchevêtrer des qubits multiples de façon contrôlée. Ces opérations doivent être accessibles de telle manière que l’on puisse les ordonner de façon arbitraire pour exécuter un algorithme.

Un matériau familier

Les chercheurs de QuTech et de l’Institut de Nanoscience Kavli de Delft au sein de l’équipe de Lieven Vandersypen, en collaboration avec des collègues de l’université du Wisconsin, se concentrent sur les puces qubits en silicium. Ces qubits sont créés au moyen d’un signal électrique contrôlé pour y « enfermer » quelques électrons. Le silicium est un matériau très prometteur : il a été complètement développé par l’industrie actuelle des semi-conducteurs et par nature, ne perturbe que peu les qubits. Les puces quantiques en silicium ont beaucoup en commun avec les puces informatiques classiques et leurs qubits peuvent être entièrement contrôlés électroniquement.

Jeu de pile ou face

En exploitant les opérations fiables dans la puce quantique à deux qubits, les scientifiques ont, pour la première fois, réussi à exécuter des algorithmes quantiques. Le premier algorithme, dit de Deutsch-Josza, teste si une fonction est paire ou impaire. Ils ont en outre exécuté l’algorithme de recherche dit de Grover. Cet algorithme recherche en une fois la réponse correcte sur un jeu non ordonné.

L’avenir

Cet exemple de puce quantique programmable avec qubits fiables en silicium est un jalon important sur le chemin de calculs quantiques fiables et à plus grande échelle. Les scientifiques ont démontré que les qubits peuvent être contrôlés, enchevêtrés avec une bonne fiabilité et que des opérations peuvent être combinées pour constituer un algorithme quantique.

Source : TU Delft – Origine : https://www.elektormagazine.fr/news/programmation-d-une-puce-quantique-en-silicium

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Annexe - Comprendre l’informatique quantique – qubits

Par Olivier Ezratty, expert FrenchWeb 12/07/2018 2 (15 minutes de lecture).

Illustration - On peut comprendre le fonctionnement d’un ordinateur quantique sans trop se plonger dans la mécanique quantique au-delà de la compréhension de ses mécanismes de base, vus dans dans l’épisode précédent de cette série d’articles, et surtout celui de l’intrication. Par contre, il faut se plonger un peu dans quelques éléments de mathématiques, d’algèbre linéaire et de trigonométrie, ce que nous allons commencer à faire ici.

Le premier élément de base d’un ordinateur quantique est l’inévitable qubit. Vous avez certainement déjà entendu parler de cet objet mystérieux capable d’être simultanément dans la valeur 0 et 1. Les explications courantes s’arrêtent le plus souvent là et vous tombez immédiatement dans l’expectative, vous demandant comment cela peut ensuite bien fonctionner.

Nous allons donc commencer ici par expliquer le fonctionnement logique, mathématique et matériel de ces qubits. Dans la partie suivante de cette série d’articles, nous irons plus loin en décrivant tour à tour les registres, les portes, l’organisation et l’architecture complète d’un ordinateur quantique. A chaque fois, lorsque nécessaire, nous ferons le parallèle avec les ordinateurs traditionnels.

Pour pouvoir suivre cette partie, il faut connaître quelques basiques mathématiques : la trigonométrie, les vecteurs et matrices et avoir déjà entendu parler des nombres complexes.

Représentation humoristique illustrant la conférence “Le quantique, c’est fantastique” du 14 juin 2018 à Nantes au Web2day par Hélène Pouille, c.f. son site et la vidéo de la conférence)

Le principe des qubits

Les qubits sont les éléments de manipulation de base de l’information dans les ordinateurs quantiques. Ils s’opposent aux bits de l’informatique traditionnelle. Avec eux, on passe d’un monde déterministe à un monde probabiliste.

Dans l’informatique traditionnelle, les bits correspondent à des charges électriques circulantes qui traduisent le passage d’un courant électrique ou son absence. Un bit est de valeur 1 si le courant passe soit de 0 si le courant ne passe pas. La lecture d’un bit donne 1 ou 0. Elle est déterministe, à savoir que si l’on répète l’opération de lecture plusieurs fois, ou l’opération de lecture après une réédition du calcul, on obtiendra normalement le même résultat.

C’est vrai aussi bien pour le stockage de l’information que pour son transport et pour les traitements dans des processeurs. Ceci est valable modulo les erreurs qui peuvent intervenir dans le parcours. Celles-ci interviennent le plus souvent au niveau de la mémoire et sont corrigées via des systèmes… de correction d’erreurs utilisant de la redondance.

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Dans un qubits, rien à voir ! Si les qubits sont généralement initialisés à 0, les opérations portant dessus vont généralement les amener à avoir un état de superposition entre 0 et 1. Ces états correspondent à l’état de base ‘’(“ground state”) et à l’état excité (“excited state”) d’un système quantique à deux états possibles. Ces qubits peuvent donc être à la fois à la valeur 0 et 1, et dans une proportion qui est variable et qui correspond à la notion de superposition d’états évoquée dans la partie précédente sur les fondements de la mécanique quantique. A la fin des calculs, lorsque l’on lit la valeur d’un qubit, on retrouve 0 ou 1. La richesse des valeurs du qubits se manifeste donc uniquement pendant les calculs et non pas à leur initialisation où lors de leur lecture à la fin des calculs. C’est un concept que vous ne comprendrez complètement que lorsque nous aurons décrit quelques algorithmes quantiques lors d’une partie suivante de cette série.

Ici, nous allons d’abord creuser le modèle mathématique de représentation des qubits et comprendre comment on peut se le représenter physiquement et mentalement.

Nous ferons alors un tour des différents types de qubits physiques. Les modèles mathématiques de représentation des qubits ne dépendent pas de leur type physique. Seules les caractéristiques de l’ordinateur sont affectées comme le taux d’erreur et la nature des portes quantiques physiques de base dites “universelles” agissant sur les qubits sachant que toutes les portes quantiques sont exécutables sur les ordinateurs quantiques.

La sphère de Bloch de représentation de l’état des qubits

Dans un modèle probabiliste classique, un pbit ou bit probabiliste aurait une probabilité p d’avoir la valeur 0 et 1-p d’avoir la valeur 1. Ce serait un modèle probabiliste linéaire.

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Dans un qubit, c’est bien différent ! Le modèle de représentation mathématique de l’état d’un qubit s’appuie sur la fameuse sphère de Bloch, qui m’a donné bien du fil à retordre en termes de compréhension. Je vais partager avec vous ce que j’ai pu en comprendre après des mois de recherche dans des dizaines de cours, articles scientifiques et livres sur le calcul quantique.

Ce modèle est lié à la représentation de l’état d’un qubit ou de tout quantum à deux états par un vecteur à deux dimensions dont la longueur dite “norme” est toujours de 1. Ce vecteur a la particularité de comporter deux éléments : un nombre réel (alpha) et un nombre complexe (beta).

Dans la sphère de Bloch, l’état |0> d’un quantum à deux états est figuré par la position d’un vecteur de longueur 1 allant du centre de la sphère vers le pôle Nord de la sphère et l’état |1> est un vecteur allant du centre de la sphère à son pôle Sud.

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Les états intermédiaires sont représentés par des vecteurs partant du centre de la sphère qui sont toujours de longueur 1 avec un angle theta par rapport à la verticale z et un angle psi par rapport à l’axe x situé allant du centre de la sphère à son équateur et autour de l’axe z. Histoire de simplifier les choses, les états |0> et |1> qui sont opposés dans la sphère de Bloch sont dits “orthogonaux” alors qu’ils sont opposés dans la sphère. Nous allons rapidement comprendre pourquoi.

Règle de Max Born et probabilités

Les équations décrivant l’état d’un qubit indiquent que celui-ci est la superposition de l’état |0> et de l’état |1>. Dans les équations, alpha est un nombre réel qui décrit la probabilité d’obtenir l’état |0> et beta est un nombre complexe qui décrit celle d’avoir l’état |1>. La somme des probabilités des deux états doit donner 1. Mais ce n’est pas alpha + beta. C’est alpha au carré plus beta au carré qui donnent 1. Pourquoi donc ? C’est une question qui m’a taraudé des mois pendant la préparation de ce texte.

Ce modèle probabiliste a été élaboré par Max Born en 1926. Il donne au carré du module de la fonction d’onde d’un quantum la signification d’une densité de probabilité de présence d’une particule élémentaire. C’est lié au fait que l’état |0> et l’état |1> correspondent non pas à une position précise d’une particule mais sont représentés par la fonction d’onde de Schrödinger qui décrit la distribution probabiliste de l’état du quantum dans le temps et dans l’espace. Elle est ici appliquée dans l’espace.

L’état d’un qubit est représenté par un vecteur à deux dimensions, ce qui est une information bien plus riche qu’un 0 ou un 1 d’un simple bit ou même qu’une probabilité linéaire entre 0 et 1. Ce vecteur à deux dimensions comprend les deux composantes alpha et beta que nous venons de définir.

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Le passage de la fonction d’onde de Schrödinger à la représentation alpha/beta du qubit avec un nombre réel et un nombre complexe m’échappe encore. Je tente une explication qui fera peut-être s’étrangler les physiciens. Si on prend par exemple deux orbites possibles d’un électron autour du noyau d’un atome dans un modèle d’hydrogène simple (il en existe plein…), la fonction d’onde de l’orbite basse dans l’espace sera une sorte de courbe de Gauss décalée de celle de l’orbite haute. Intuitivement, je me dis que la probabilité d’avoir l’électron dans l’orbite haute ou basse est proportionnelle à l’intégrale des fonctions d’onde correspondantes à ces orbites. D’où le carré qui serait une approximation de la valeur du pic de la gaussienne, à supposer que ce pic corresponde à la taille des vecteurs alpha et beta de représentation des états des qubits. M’enfin, je ne suis pas sûr !

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Pour en savoir plus et avec une meilleure exactitude scientifique, vous pouvez consulter la fiche Wikipedia de la fonction d’onde ainsi que celle de la probabilité d’amplitude. On trouve d’autres explications dans l’exemple des niveaux d’orbites d’électrons dans l’atome d’hydrogène dans Quantum Mechanics and the hydrogen atom (19 slides). L’interprétation physique de la règle statistique de Max Born reste en tout cas ouverte si l’on en juge par ce papier de juin 2018 d’Arkady Bolotin, Quantum probabilities and the Born rule in the intuitionistic interpretation of quantum mechanics (14 pages).

Trigonométrie dans la sphère de Bloch

Second mystère à résoudre, pourquoi donc l’angle theta est-il divisé par deux dans les équations décrivant un état quantique dans la sphère de Bloch dans les calculs de sinus et de cosinus des formules donnant alpha et beta ? Cela vient de ce que l’état |1> est placé en bas de la sphère pour que l’espace des états du qubit occupe toute la sphère et pas seulement son hémisphère nord.

C’est décrypté dans The Bloch Sphere de Ian Glendinning, 2005 (33 slides) qui explique cela par l’orthogonalité mathématique des deux états |0> et |1> qui sont pourtant opposés dans la sphère de Bloch. C’est encore mieux expliqué dans Why is theta/2 used for a Bloch sphere instead of theta ? qui a définitivement éclaircit ce mystère pour moi. Je m’en suis inspiré pour créer le schéma ci-dessous. C’est un peu tarabiscoté et vous n’êtes pas obligés d’y passer du temps.

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Comme l’état |1> est mathématiquement orthogonal par construction à l’état |0>, leur angle “mathématique” calculé doit être de 90° (pi/2). Or, l’angle theta est du double de cet angle dans la sphère car il est de pi (pour mémoire pi*2 = circonférence de 360°). Donc, on divise theta par deux pour relier la représentation géométrique dans la sphère avec la représentation mathématique de l’état du qubit. Et surtout, pour permettre un étalement de tous les états d’un qubits sur l’ensemble de la sphère.

J’illustre ceci dans le schéma composite ci-dessus qui sert à comprendre la chose pour les lecteurs patients et comprenant les bases de la trigonométrie et des nombres complexes. Dans l’histoire, alpha est toujours un nombre réel car c’est un simple cosinus. Seul beta peut-être un nombre complexe. Il l’est dès lors que le qubit n’est pas dans le plan croisant l’axe x (theta = 0) et l’axe z (phi = 0) de la sphère de Bloch. Ce nombre complexe associe une partie réelle pour la direction x et une partie complexe pour la dimension y qui est orthogonale à x.

Un point important à noter est que la représentation sur la sphère de Bloch est un modèle mathématique probabiliste. Elle ne correspond pas à un modèle physique, comme l’angle de polarisation d’un photon ou le spin d’un électron, malgré les similitudes. Sachant néanmoins que ce modèle a été créé à l’origine pour représenter le spin d’électrons.

Lorsque le vecteur d’état du qubit est horizontal dans la sphère, c’est-à-dire qu’il va jusqu’à son équateur (schéma ci-dessous), nous sommes dans un état superposant l’état 0 et l’état 1 à égalité, mais avec une phase variable qui est liée à l’angle horizontal du vecteur phi par rapport à l’axe z comme dans le schéma ci-dessous. Pourquoi une phase ? Parce que ce vecteur est lié à la fonction d’onde de Schrödinger et que l’état d’un quantum est une fonction d’onde additionnant les fonctions d’onde de ses états de base !

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Cette information riche d’un qubit est modifiée ensuite par des portes quantiques. Une porte quantique unitaire, à savoir, qui s’applique à un seul qubit, applique une rotation à l’état du qubit dans sa sphère de Bloch. Cette rotation est appliquée via une matrice de nombres complexes 2×2, dite matrice orthogonale de déterminant 1. De déterminant 1 car elle ne va pas modifier la longueur du vecteur après son application. Cette longueur restera toujours de 1. Nous examinerons la diversité de ces portes quantiques dans la partie suivante de cette série.

J’ai l’impression qu’en règle générale, les portes quantiques ne génèrent pas toutes les positions de vecteurs dans la sphère de Bloch. ce sont souvent des quarts de tours. Les points de la sphère les plus souvent utilisés sont les points cardinaux : le 0, le 1, puis les quatre points correspondant à la superposition 0 et 1 qui sont sur l’équateur de la sphère.

On doit finalement cette sphère de Bloch à trois personnes : Erwin Schrödinger pour sa fonction d’onde de 1926, Max Born pour son modèle probabiliste associé, créé la même année et à Felix Bloch (1903-1983, Suisse) qui a représenté l’état d’un quantum à deux niveaux sur la sphère en 1946. En optique et pour décrire la polarisation d’un photon, la sphère de Bloch s’appelle la sphère de Poincaré, du nom du mathématicien français Henri Poincaré, mort en 1912 et cousin germain du président Raymond Poincaré.

Voici quelques sources d’information associées à cette partie : Lectures on Quantum Computing de Dan C. Marinescu et Gabriela M. Marinescu, 2003 (274 pages), The Bloch Sphere de Ian Glendinning, 2005 (33 slides), The statistical interpretation of quantum mechanics, discours d’acceptation du prix Nobel de physique de Max Born en 1954 (12 pages) ainsi que l’excellent livre The mathematics of quantum mechanics de Martin Laforest, 2015 (111 pages), qui décrit les basiques mathématiques de l’informatique quantique avec les nombres complexes, les vecteurs, les matrices et tout le toutim.

Cycle de vie d’un qubit

Au bilan, le qubit est un objet mathématique un peu particulier :

  • On l’initialise toujours à 0, correspondant à l’état de base du qubit.
  • On le modifie ensuite de manière programmatique avec des portes quantiques pour lui faire prendre des valeurs qui sont des vecteurs dans la sphère de Bloch. La porte de Hadamard est l’une des plus courantes et elle créé un état de superposition entre un 0 et un 1. Les manipulations mathématiques de ce vecteur consistent ensuite à le faire tourner dans la sphère de Bloch avec des portes quantiques unitaires que nous verrons dans la partie suivante consacrée à la description du fonctionnement d’un ordinateur quantique. Ces manipulations reviennent à multiplier le vecteur représentant le qubit [alpha, beta] par une matrice de deux lignes et deux colonnes de nombres complexes conservant la norme du vecteur, qui doit rester à 1. Les portes quantiques non unitaires relient les qubits entre eux et en font évaluer les valeurs de manière conditionnelle. Sans ces différentes portes quantiques, on ne pourrait pas faire grand chose avec les qubits.
  • L’information dans les qubits qui est manipulée lors des calculs est “riche” avec une dimension de deux nombres réels, les angles theta et phi.
  • A part le cas où le qubit est initialisé à l’état |0> ou inversé à l’état |1>, celui-ci est en état de superposition. La représentation mathématique d’un qubit et son incarnation visuelle dans la sphère de Bloch montrent qu’un qubit peut-être dans une infinité d’états superposés différents.
  • Lorsque l’on lit la valeur du qubit, on retombe sur un 0 ou un 1 avec un retour probabiliste dépendant des paramètres du vecteur de l’état du qubit dans la sphère de Bloch.
  • Donc, nous avons un 0 en entrée, un 0 ou un 1 en sortie, et une infinité d’états entre les deux pendant les calculs !
    Voici cela illustré dans le schéma ci-dessous :

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Tout ça pour dire que la richesse mathématique du qubit intervient pendant les traitements et seulement pendant les traitements. Mais pas au départ ni à l’arrivée des traitements. La magie mathématique de l’ordinateur quantique est là !

Types de qubits

D’un point de vue physique, les qubits des calculateurs quantiques sont des dispositifs matériels qui intègrent des particules élémentaires qui ont deux états possibles que l’on peut initialiser, modifier avec des portes quantiques puis dont on peut évaluer l’état. Il s’agit parfois de particules élémentaires unitaires, comme avec les ions piégés ! Une seule à la fois ! Dans le cas des supraconducteurs ou de quantum dots à silicium, l’état quantique s’appuie sur un grande nombre de particules, ici, des électrons.

Voici les principaux types de qubits qui sont étudiés, expérimentés voir utilisés en production actuellement :

Les supraconducteurs : le qubit prend la forme de l’état d’un courant supraconducteur qui traverse une barrière très fine en s’appuyant sur l’effet Josephson. Il existe plusieurs types de qubits supraconducteurs, de flux, de phase et de charge. Ne rentrons pas dans les détails. Dans tous les cas, il s’agit de créer une superposition de deux états bien distincts d’un courant oscillant à haute fréquence et traversant la jonction Josephson dans une boucle supraconductrice. L’oscillation est rendue possible par le fait que la boucle intègre l’équivalent d’une inductance et d’une résistance. L’oscillation du courant est activée par l’application de micro-ondes de fréquences situées entre 5 et 10 GHz transmises par voie conductrice et physique. Ce ne sont pas des ondes émises par la voie “radio”. L’état du qubit est pour sa part mesuré avec un magnétomètre intégré dans le circuit.

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C’est la technique la plus couramment employée aujourd’hui, notamment par IBM, Google et Intel pour des ordinateurs quantiques à circuits universels et avec les ordinateurs quantiques adiabatiques du Canadien D-Wave qui utilisent un autre arrangement de qubits de qualité moins bonne du côté du bruit et du taux d’erreurs. Elle est relativement facile à fabriquer car elle s’appuie sur les techniques de création de circuits CMOS même si certains des matériaux sont différents, comme le niobium qui est utilisé chez D-Wave. Cf Practical realization of Quantum Computation Supraconducting (36 slides). Notons, nous le verrons plus tard, que l’équipe de Daniel Estève au CEA de Saclay fait partie des précurseurs de la création de tels qubits supraconducteurs.

Les ions piégés : il s’agit d’ions d’atomes qui peuvent être du calcium et qui sont maintenus sous vide et suspendus par suspension électrostatique. Un pompage optique est réalisé pour leur initialisation. Un laser sert à la mesure et exploite le phénomène de fluorescence des ions excités par le laser. Le magnétisme est utilisé pour l’activation des portes quantiques. La startup IonQ issue de l’Université de Maryland planche là-dessus tout comme l’université d’Innsbruck en Autriche et sa spinoff AQT. Dans un tel système, plusieurs ions sont piégés de manière équidistante les uns des autres. Ils sont alignés en rang d’oignons. Il est difficile de faire “scaler” ce genre d’arrangement au-delà d’une centaine et quelques d’ions. Par contre, ils présentent l’avantage de bien pouvoir être intriqués les uns avec les autres, ce qui est moins le cas des qubits à base de supraconducteurs.

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Les photons : leur état quantique est leur polarisation horizontale ou verticale. Cela fait partie du champ de l’optique linéaire. Il manipule des photons individuels. Les portes quantiques sont réalisées à l’aide de dispositifs optiques avec des filtres dichroïques ou polarisants. Il faut un grand nombre de lasers pour piloter l’ensemble. C’est donc pour l’instant assez embarrassant. L’avantage est que ces qubits fonctionnent à température ambiante. Mais ce type de qubit n’est pour l’instant utilisé qu’en laboratoire et à petite échelle et aucune société privée ne semble s’être embarquée dans ce chemin.

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Le spin d’électron : haut ou bas, une sorte de sens de polarisation magnétique, que l’on retrouve dans les ordinateurs à base de quantum dots, notamment chez Intel ou dans des prototypes de qubits réalisés au CEA à Grenoble. Ces qubits sont intégrés dans des circuits à base de semi-conducteurs CMOS. Ils bénéficient donc de la réutilisation de processus de fabrication de composants CMOS déjà bien maitrisés. Ces qubits sont cependant pour l’instant plutôt “bruyants”, même en les exploitant à des températures proches du zéro absolu. Le plan consiste à en aligner des batteries pour créer des qubits logiques, un concept que nous étudierons dans la prochaine partie.

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Les centres NV pour Nitrogen Vacancy : ce sont des structures de diamant artificiel dans lesquelles un atome de carbone a été remplacé par un atome d’azote et à proximité duquel se situe une lacune d’atome de carbone. Les électrons des atomes de carbone adjacents à cette lacune occupent l’espace vide et avec un spin variable. Bref, l’état de la lacune est instable et quantique. Cet état est excité par laser et micro-ondes. La lecture de l’état du qubit est réalisée par une mesure de brillance de fluorescence. Seule la startup QDTI planche commercialement sur cette technique. Ce n’est visiblement pas encore au point.

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Voici, ci-dessous, un schéma d’ensemble du mécanisme de contrôle de ces qubits vu dans Forefront engineering of nitrogen-vacancy centers in diamond for quantum technologies 2017 (235 pages).

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Les fermions de Majorana : ce sont des anyons ou quasi-particules qui sont des états particuliers de nuages d’électrons organisées par paires. Pratiquement, ce sont des spins d’électrons aux deux bouts de fils supraconducteurs. On peut d’ailleurs considérer à ce titre là que c’est une variation des qubits supraconducteurs. De ce fait, ces ordinateurs quantiques doivent aussi être refroidis à une température voisine du zéro absolu, aux alentours de 10mK. C’est la voie choisie par Microsoft. Sachant que l’existence des fermions de Majorana est à peine prouvée. Et les quasi-particules sur lesquelles planchent les équipes de Microsoft ne seraient pas des fermions de Majorana. Il y a de quoi y perdre son latin ! Nous reviendrons dessus dans une prochaine partie de cette série.

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Aucune de ces techniques n’est pour l’instant éprouvée à grande échelle. Elles ont toutes leurs avantages et inconvénients qui se situent dans plusieurs dimensions : la stabilité des qubits, la possibilité de les intriquer, le niveau d’erreurs dans les qubits et dans les portes qui les relient, la durée de cohérence des qubits, la température de fonctionnement, le niveau de miniaturisation, le processus de fabrication (qui est moins cher lorsque c’est du silicium en technologie CMOS). Nous verrons tout cela plus tard quand nous aborderons les différentes offres et projets d’ordinateurs quantiques.

En résumé, voici les principaux types de qubits et leurs caractéristiques clés avec la nature des qubits, la manière de stocker leur état, la nature des portes quantiques qui les modifient et de la mesure de l’état des qubits.

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Leur niveau d’avancement est décrit dans cet excellent document de l’équivalent allemand de l’ANSSI, Entwicklungsstand Quantencomputer (état des lieux de l’informatique quantique, 231 pages, en anglais). Il évoque d’autres technologies que celles qui sont citées dans mon inventaire et que je ne cite pas car elles ont pour l’instant peu de chances d’aboutir et n’ont été adoptées par aucun industriel ou aucune startup.

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Voilà pour l’histoire des qubits. Mais celle-ci ne fait que commencer. Dans la partie suivante, nous allons aller plus loin et découvrir comment sont architecturés les ordinateurs quantiques dans la pratique avec leurs registres, leurs portes, leurs dispositifs de lecture, leurs systèmes de correction d’erreur ainsi que leur système de cryogénie pour ceux que cela concerne comme les ordinateurs à qubits supraconducteurs. Nous pourrons comprendre comment fonctionne un cycle complet de calcul dans un ordinateur quantique. La partie d’après donnera corps à l’ensemble avec un descriptif des principaux algorithmes connus pouvant être exploités sur les ordinateurs quantiques.

L’expert : photo Olivier Ezratty est consultant en nouvelles technologies et auteur d’Opinions Libres, un blog sur les médias numériques (TV numérique, cinéma numérique, photo numérique), et sur l’entrepreneuriat (innovation, marketing, politiques publiques…). Olivier est expert pour FrenchWeb.

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