Dans ce Mooc très intéressant, Olivier Ezratty explique les bases de l’ordinateur quantique en 6 vidéos.
Richard Feymann, grand physicien du quantique, disait que si on croit avoir compris la physique quantique c’est qu’il y a un loup 😉 Un champ encore inconnu en partie que la recherche permet de dévoiler par incréments. Quant à l’ordinateur quantique, nul ne sait quand un ordinateur sera disponible pour résoudre des problèmes rééls. Pour l’heure ce ne sont que des expérimentations sur des calculs « artificiels » ad’hoc qui ne répondent à aucune demande présente.
Lire aussi l’entretien très didactique d’Alain Aspect sur les expériences pour lesquelles il a obtenu le Prix Noble avec 2 autres physiciens en 2022 dans Le Nouvel Esprit public
Le lien pour ces vidéos est ici
Depuis l’histoire de la physique quantique en passant par les notions de base, du transistor au Qubit, l’ordinateur quantique, comprendre les technologies quantiques jusqu’à l’innovation responsable, un panorama didactique dans ce domaine.
Note préalable: La difficulté de la vulgarisation scientifique c’est d’éviter de trop simplifier au risque de dire des contre-vérités.
Cours 2 Notions de base
Un Qubit (Quantum bit) remplace le code binaire utilisé par les ordinateurs aujourd’hui. Ezratty décrit notamment les propriétés de l’électron qui comportent deux états. Ces états sont contrôles par des lasers ou des ondes électro-magnétiques dans l’ordinateur quantique. La superposition d’une particule (atome, photon, électron) est une notion contre-intuitive. C’est à la fois une onde et une particule au moment de la mesure. Analogie: si on compare une particule vue comme une onde, à deux notes de musique de force différente, on a une troisième note, résultante de la force et de la fréquence des deux notes d’origine. En mathématique, toutes les positions d’une particule sont représentées par une sphère de Bloch. La phase des particules impacte le résultat. Shroedinger définit une particule comme un « nuage » ondulatoire dans lequel se trouve la particule. Einstein publie 5 papiers en 1905, Nobel pour son travail sur l’effet photoélectrique. Heisenberg a définit le modèle mathématique matriciel qui définit les états quantiques. L’intrication de deux particules constitue une seule particule qui réagit instantanément. Dans l’expérience d’Aspect, corrélation du résultat de la mesure ( pendant le vol d’un photon en quelques ns !) mais le résultat est aléatoire. On mesure en même temps deux résultats aléatoires. Zellinger, Nobel pour le protocole de téléportation. Impossibilité de cloner et de copier un état quantique indéterminé.
Cours 3 Du transistor au Qubit
Le transistor repose sur la recherche sur les transitions énergétiques des électrons. C’est le résultat de 30 années de recherche interrompues par le 2ème guerre mondiale. Le changement de paradigme entre les deux mondes. Le Qubit peut être défini par objet math (matrices, vecteurs) et un objet physique. Ce peut être un atome, un photon, un électron, ou une boucle de courant dans un supraconducteur. On a une phénomène d’erreurs, difficiles à corriger, qui n’existe pas dans le calcul binaire. Une porte quantique permet d’assembler les Qubits. La formule exponentielle pour calculer le nombre de combinaisons possibles est 2 puissance n (n est le nombre de qubits). Deux types de portes quantiques, l’une manipule la position dans la sphère de Bloch, l’autre permet l’intrication de deux particules. Il faut faire plusieurs mesures de l’état des Qubits pour éviter d’avoir un résultat aléatoire. Il y a différents types de Qubits ( atomes, photons, etc.). La startup Pascal travaille sur les atomes contrôlés un par un. On peut refroidir les atomes par effet Doppler, en les ralentissant par laser sous vide par une pompe, elle-même refroidie par un cryostat. IBM leader des supraconducteurs effet tunnel. Côté photons, on refroidit la source et les détecteurs.
Beaucoup de câblage pour faire circuler l’information des microondes (un câble supraconducteur coute 2000 €/m).
Cours 4 L’ordinateur quantique
Il est indispensable de contrôler un ordinateur quantique avec un ordinateur classique. Les erreurs sont dus aux perturbations électromagnétiques, par les qubits voisins, gravité, etc. Isolation nécessaire pour obtenir des claculs corrects. Aujourd’hui, il y a 1% d’erreurs pour chaque opération. Pour obtenir des calculs de simulation de molécules, etc. on cherche un taux d’erreur de 10 puissance -14 Il faut beaucoup plus de Qbits pour compenser. Les couts son exhorbitants pour la R&D. Le futur de l’ordinateur quantique serait par un accès en ligne. Il y aura de l’IA avec le quantique. On a pas assez de Qubits de qualité. Côté programmation, champ de la programmation graphique pour l’apprentissage. Langage Python comme en IA.
Cours 5 Comprendre les technologies quantiques
Les émulateurs quantiques sont saturés par 40 ou 50 Qubits dans l’offre commerciale. On crée des algorithmes, des codes de correction d’erreurs. On valide les résultats. Ils servent pour les machines imparfaites d’aujourd’hui. Avantage quantique réel et utile: données en entrée et sortie, mais ça n’existe pas aujourd’hui. On pourra associer peut-être ordi classique et ordi quantique. Deux entreprises françaises : Pasqal et Quandela. Pour terminer, il cite des logiciels disponibles en Open Source ainsi qu’un autre domaine de recherche, celui des capteurs quantiques. Il y a beaucoup de financement pour des protos et c’est de la recherche privée. Amazon, offres cloud d’expérimentation (2000€/h) Quark : Open source difficile à installer sur son ordi.
Capteurs quantiques pour toutes les grandeurs, pression, température, gravité, etc. de grande précision;
Cours 6: Innovation responsable
De manière générale, un des grands champs d’application du calcul quantique, c’est de simuler les propriétés de la matière, explique Olivier Eztatty. Il mentionne la chimie organique et les domaines de l’énergie, de la santé, du transport. Ainsi que la chimie organique du monde vivant : plus on va vers le vivant plus c’est compliqué, explique-t-il. Y a-t-il concurrence entre les possibilités du calcul quantique et celles de l’IA classique ? Il donne l’exemple du machine learning. Revenant sur les domaines d’application du calcul quantique, il cite le secteur de la logistique, de la santé, transport. Pour terminer, il parle de la Quantum Energy Initiative, dont il est un des cofondateurs. Cette initiative internationale vise à faire travailler les chercheurs ensemble pour que l’ordinateur quantique du futur ne soit pas énergivore ( consommation de l’électronique, de la cryogénie, des ordis de contrôle classiques) . Empreinte environnementale réduite pour cela il faut que les chercheurs travaillent ensemble. L’idée est de démontrer que l’on est capable de faire de l’innovation responsable. Amélioration de la précision des temps de trajets dans un futur. Finance …
On n’explique pas complètement la superposition, l’intrication, etc.. C’est un champ très vaste.
( Ce texte brut comporte quelques erreurs de forme . Il est issue d’une transcription automatique de la vidéo)
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