Ordinateur quantique Historique Première micropuce Qu-Bits Supraconductivité Qu-Bits à Cambridge Les références Bus quantique

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Chronologie Up Page Historique 1970: Stephen Wiesner (étudiant américain ) suggère d'utiliser la physique quantique pour sécuriser les moyens de paiement, en les dotant d'un numéro de série, infalsifiable, généré par un dispositif quantique. 1981: Le physicien Richard Feynman décrit l'intérêt qu'aurait un ordinateur quantique. 1983: Publication de la "Sécurisation des paiement bancaires à l'aide d'une clé quantique", idée formulée treize ans plus tôt, par l'étudiant américain Stephen Wiesner . 1994: La mathématicien Peter Shor conçoit un algorithme quantique factorisant les nombres plus vite que tout système classique. 1995: David Wineland et Serge Haroche réalisent le premier prototype de porte logique quantique, constitué d'un seul atome. 1998: Premier calcul quantique à 2 qubits (Oxford, Stanford, MIT & IBM) . 2001: L'algorithme de Shor est réalisé physiquement avec 7 qubits, formés par 1018 molécules. 2003: Rainer Blatt (université d'Innbruck, Autriche ) réalise la première porte logique à deux qubits en utilisant des ions calcium piégés). 2009: Premier micro-processeur quantique solide (sur silicium) à base d'atomes artificiels (aluminium) réalisé à l'université de Yale. 2011: La société D-Wave annonce avoir développé un microprocesseur quantique à 128 qubits à l'entreprise Lockheed Martin. 2012: Prix Nobel à David Wineland et Serge Haroche pour leurs travaux en manipulation et mesure de systèmes quantiques. 2013: Google et la Nasa ouvrent un laboratoire de recherche sur l'intelligence artificielle quantique. 2014: Edward Snowden dévoile que la NSA a investi 80 millions de $ pour développer un ordinateur quantique. 2015: IBM et l'université de New South Wales (Australie ) dévoilent des circuits quantiques capables d'être associés en grand nombre. Google et D-Wave Systems publient un début de preuve des performances de calcul de la machine D-Wave 2. 2018: Le laboratoire d'informatique de Paris 6 & Paris Centre for Quantum Computing parviennent en janvier, à créer une série de bits quantiques _ou qubits_ et à inscrire cette clé quantique (de 100 000 qubits) dans la carte bancaire. Le lecteur, qui lit la clé quantique de la carte au moment du paiement et qui interroge la banque via une liaison classique classique sécurisée, vérifie que la carte n'est pas falsifiée (fiabilité: de l'ordre de 1 sur 10 milliards). Comme les qubits ne sont jamais stockés en temps réel, le laboratoire Kaster Brossel travaille sur un prototype d'une carte à mémoire qubit, un embryon de carte à puce quantique, en quelque sorte. 2018: Le groupe de Lieven Vandersypen, de l'université de Delft, aux Pays-Bas conçoit une puce quantique en silicium-germanium de deux qubits _l'équivalent quantique des bits classiques_, capable d'exécuter des algorythmes très rudimentaires. Deux autres principes de composants quantiques _l'un utilisant des ions piégés et l'autre des circuits spraconducteurs_ ont déjà fait beaucoup mieux, avec plusieurs dizaines de qubits manipulés en même temps. Le silicium possède un triple avantage: les qubits utilisés interagissent peu avec leur environnement (stables pendant plusieurs dizaines de millisecondes, contre 10 à 100 microsecondes pour les supraconducteurs, 1 minute pour les ions piégés), le circuit silicium est beaucoup plus petit que ses concurrents (miniaturisation plausible), les procédés de fabrication de masse ssont déjà là à disposition (les mêmes que pour le silicium). Il faut signaler également qu'un groupe britannique vient d'annoncer une percée importante sur les ions piégésn en améliorant nettement leur vitesse de fonctionnement. novembre 2019: L'équipe de Google annonce avoir réalisé un calcul sur 53 qubits en 200 secondes.

La petite histoire Up Page Première micropuce pour ordinateur quantique en Europe Avril 2007, les principes fondamentaux qui permettront le calcul quantique sont déjà bien compris mais la réalisation d'un ordinateur quantique est très difficile, notamment en raison des difficultés d'ordre technologique que pose le contrôle des états quantiques d'une collection d'atomes isolés. L'institut de traitement de l'information quantique de l'université d'Ulm a réalisé la première micropuce européenne utilisée dans des expériences qui permettront de développer l'ordinateur quantique du futur. Le physicien Stephan Schulz et le professeur Ferdinand Schmidt-Kaler ont développé le prototype d'une micropuce linéaire tridimensionnelle qui piège plusieurs atomes ionisés Ca+ de manière isolée. Chaque ion piégé représente alors un bit quantique, qui correspond à un bit d'un ordinateur actuel. Les bits quantiques permettront à l'ordinateur quantique du futur d'atteindre une vitesse de calcul incomparable aux performances actuelles et ainsi de résoudre des problèmes jusqu'ici non-résolus...

Comprendre simplement Up Page Qu-bits On sait qu'une des difficultés rencontrées par les concepteurs de calculateurs quantiques tient à la difficulté de conserver l'état de superposition d'un Qu-bit dans un conducteur suffisamment longtemps pour procéder à un calcul. Récemment, trois équipes ont annoncé avoir progressé dans cette direction. La première est celle de Daniel Estève au CEA, responsable du Groupe Quantronique. Citons le CEA: "Mais cette superposition ne supporte aucune interaction avec le monde extérieur non quantique, notamment avec un système de mesure. Les chercheurs ont contourné cette difficulté en isolant le qubit pendant sa manipulation, effectuée par des impulsions radiofréquence, puis en le branchant au système de mesure pour en déterminer l'état. La durée de vie de ce qubit : 0,5 microseconde ! Court, mais suffisant pour envisager la construction d'une porte logique quantique afin de commencer les calculs par ordinateur sur le mode quantique.". Le Commissariat à l'Energie Atomique marque ainsi son avance dans un domaine d'avenir apparemment très prometteur. Deux autres équipes doivent aussi être citées : le laboratoire de Siyuan Han à l'université du Kansas et une équipe du National Institute of Standards and Technology (NIST) à Boulder.

Domaines de présence Up Page Supraconductivité NTT, l’opérateur téléphonique historique du Japon, et l’Agence Japonaise pour la Science et la Technologie (JST) ont réussi à renverser un flux de supracourant (en état de transition quantique) en un procède d’absorption d’un, deux, et trois photons, par l’irradiation d’un flux supraconducteur de qu-bits avec des photons micro-ondes en résonance. Dans des résultats présentes le 13 septembre 2004 à l’Université d’Aomori, NTT a confirmé que la mécanique quantique, appliquée d’ordinaire aux objets microscopiques tels que les particules élémentaires et les atomes, peut également être appliquée à l’état macroscopique d’un flux supraconducteur de qu-bits d’une taille de six microns. Le qu-bit est composé de trois jonctions de Josephson, à une échelle inférieure au micromètre, et obéit aux lois de la mécanique quantique. NTT prévoit déjà d’améliorer le temps de cohérence d’un qu-bit, pour peut-être s’approcher progressivement de la réalisation d’un ordinateur quantique.

Son interprétation dans l'avenir Up Page Qu-Bits à Cambridge L'équipe du laboratoire Hitachi-Cambridge a développé pour la première fois un nouveau support de silicium pour le calcul quantique : une charge localisée quantique qubit sur une couche de silicium. Après quatre années de recherche, cette structure est la première étape vers l'ordinateur quantique fonctionnant selon une technologie au silicium. Le plus puissant superordinateur pourrait devenir obsolète dans un futur proche, grâce à une approche totalement différente du processus de l'information. Dans un ordinateur classique, l'unité de base est le "bit" qui ne peut exister que sous deux formes, 1 ou 0. L'ordinateur quantique utilise le bit quantique ou qubit qui peut être la superposition des états, une sorte de mélange simultané de 0 et de 1. Le qubit est aussi soumis à la cohérence quantique. Quand deux ou plus sont en cohérences, ils se comportent comme un seul système, par conséquence l'état d'un qubit dépend directement de l'état des autres. Théoriquement la puissance de calcul d'un système à information quantique augmente exponentiellement alors que le système binaire conventionnel croît linéairement. Bien que les divers principes du calcul quantique soient établis, il reste un vaste chemin à parcourir avant de pouvoir travailler sur son ordinateur quantique. En 2002 IBM est arrivé à factoriser le nombre 15 en utilisant 7 qubits. Cependant la durée de vie des qubits étaient très limitée dû à leur grande instabilité. De vastes possibilités s'offrent pour les utilisations gourmandes en puissance de calcul comme la bioinformatique pour simuler le cerveau humain, la météorologie et surtout les systèmes de décodages militaires. L'une des approches pour construire l'ordinateur quantique dit à "état solide" (c'est-à-dire physiquement utilisable) est de placer les états quantiques artificiels d'atomes et de molécules sur un système support semi-conducteur. C'est ce que l'équipe scientifique, en collaboration avec l'entreprise Hitachi, est arrivée à créer en isolant une double charge quantique localisée, soit un qubit, sur un support au silicium. Pour obtenir un circuit quantique viable, il est indispensable d'avoir au moment voulu un nombre suffisant de qubits cohérents, de pouvoir contrôler les interactions entre les qubits pour former une architecture et enfin de pouvoir les assimiler dans un circuit de mesure. Toutes ces opérations (initialisation, manipulation et mesure) ont été achevées : une porte électrique ("electrical gate") qui permet de créer localement un champ électrique avec une grande précision assure l'initialisation et la manipulation et un transistor à simple électron permet la mesure du résultat. Le système créé a fourni un long temps de cohérence qui n'était pas attendu et offre une bonne souplesse pour être placé sur des circuits à deux dimensions comme les microprocesseurs conventionnels. Les Docteurs Gorman et Hasko de l'Université de Cambridge sont donc parvenus à élaborer le point de départ pour passer d'un système quantique élémentaire à un système quantique plus développé et complexe. Il faudra toutefois attendre encore un peu avant de pouvoir introduire une carte mère quantique dans son ordinateur.

Les références Up Page Réseau Pepe Automates Intelligents BE Allemagne BE Japon BE Royaume-Uni Cyberscience La Recherche n°501-502 - juillet-août 2015 La Recherche n°531 - janvier 2018 La Recherche n°533 - mars 2018 (article de Denis Delbecq) La Recherche n°534 - avril 2018 (article de Denis Delbecq) La Recherche n°553 - novembre 2019 Science & Vie n°1182 - mars 2016 Pourquoi ce site Je crois que, si les êtres humains que nous sommes ne parviennent pas toujours à évoluer comme ils le souhaiteraient _à s'épanouir professionnellement, sentimentalement et sexuellement (ce que j'appelle les trois pôles d'intérêts) c'est parce qu'il y a des barrages qui entravent leur désir d'accéder à un rêve inachevé. Je pars du principe que tout est possible, à condition de s'entourer de gens qui nous poussent à croire en nous. Contribuer au Réseau Pepe Ce site est avant tout une encyclopédie ouverte à l'imagination et au savoir, où chacun(e) d'entre vous peut participer. Si vous avez envie de partager une passion, ou si vous sentez le besoin de vous exprimer sur un point précis, je vous invite à m'adresser un e-mail (adresse électronique accessible sur ma page d'accueil).

Mais encore … Up Page Bus quantique Dès 2004, le jeune théoricien, professeur à l’Université de Sherbrooke, a imaginé une façon de recréer l’équivalent quantique d’une des pièces maîtresses des ordinateurs modernes: le BUS (Bidirectional Universal Switch). Plutôt que des passagers, le BUS informatique convoie des bits d’information de la mémoire vers le processeur, et vice versa, dans un continuel aller-retour rappelant la circulation dans nos rues. Les résultats ont été publiés dans la revue Physical Review, celle-là même où Einstein a dévoilé ses travaux il y a un siècle. La découverte a eu un impact majeur. "De nombreux scientifiques de partout dans le monde se sont intéressés à nos BUS quantiques et essaient maintenant de les fabriquer", explique le physicien. Un ordinateur quantique n’est pas simplement un ordinateur plus rapide que nos machines actuelles. C’est un ordinateur qui "pense" différemment», explique Alexandre Blais. Alors qu’un bit classique ne peut posséder que la valeur "0" ou "1", un bit quantique (ou qubit) peut être simultanément "0" et "1". Ce n’est qu’au moment où on accède à l’information qu’il acquiert sa valeur finale. "C’est comme si la couleur de mes bas se décidait seulement au moment où je relève le bord de mon pantalon, explique le chercheur. Avant cette 'mesure', ils sont en fait de toutes les couleurs à la fois." C’est cette propriété, dite de superposition d’états, qui donne à l’informatique quantique tout son potentiel. Ainsi, avec un seul qubit, il devient possible de suivre deux raisonnements simultanément: "mes bas sont rouges ou mes bas sont blancs". Avec deux qubits, quatre raisonnements peuvent être ainsi suivis en parallèle. Avec trois qubits, huit raisonnements, etc. Plusieurs spécialistes estiment qu’avec à peine 30 bits quantiques, un ordinateur pourra déjà réaliser de complexes simulations de dynamique moléculaire, très utiles dans l’industrie pharmaceutique. 50 qubits en quelques microsecondes (novembre 2017) Un ordinateur quantique à 50 qubits a été obtenu à IBM en novembre 2017. Ce palier représente le seuil au-delà duquel les capacités de calcul d'un ordinateur quantique dépassent celles d'une machine classique. Seul problème: la durée de cet exploit ne dépasse pas les 50 µs (50 microsecondes). 53 qubits en 200 secondes (janvier 2020) Les chercheurs de Google, menés par le physicien John Martinis, ont annoncé en janvier 2020 la démonstration de la suprémacie quantique. Leur puce Sycamore, dotée de 53 bits quantiques, a résolu un problème en 200 secondes, résolution qui aurait pris 10 000 ans avec les meilleurs supercalculateurs classiques. La puce de Google se constitue de circuits électriques supraconducteurs submicrométriques. 56 & 66 qubits en quelques secondes en juillet 2021 Les chercheurs chinois obtiennent en juillet 2021 deux nouveaux ordinateurs quantiques. Le premier processeur monotâche Jiuzhang de 66 qubits (Université des sciences & technologies d'Hefei) a effectué en 200 secondes une tâche complexe qui aurait demandé au superordinateur chinois le plus rapide, TaihuLight, environ 2,5 milliards d’années pour arriver au même résultat. Le second processeur multitâches Zuchongzhi de 56 qubits (Jian-Wei, Université des sciences & technologies de Shanghai) a éffectué des opérations en 1,2 heure 100 fois plus rapide que l'ordinateur quantique Sycamore de Google (son plus proche concurrent), là ou un superordinateur classique prendrait 8 ans.