Afin de révéler plus ou moins complètement l'essence des technologies informatiques quantiques, abordons d'abord l'histoire théorie des quanta.
Elle est née grâce à deux scientifiques dont les résultats de recherche ont été récompensés par des prix Nobel : la découverte du quantum par M. Planck en 1918 et la découverte du photon par A. Einstein en 1921.
L'année 1980 est née l'idée d'un ordinateur quantique, lorsque Benioff a réussi à démontrer dans la pratique l'exactitude de la théorie quantique.
Eh bien, le premier prototype d'ordinateur quantique a été créé par Gershenfeld et Chuang en 1998 au Massachusetts Institute of Technology (MTI). Le même groupe de chercheurs a créé des modèles plus avancés au cours des deux années suivantes.

Pour un non-spécialiste, un ordinateur quantique est quelque chose d’absolument fantastique en termes d’échelle : c’est une machine informatique devant laquelle un ordinateur ordinaire est comme un boulier devant un ordinateur. Et bien sûr, c’est quelque chose de très loin d’être réalisé.
Pour une personne associée aux ordinateurs quantiques, il s'agit d'un appareil principes généraux dont les actions sont plus ou moins claires, mais il y a beaucoup de problèmes à résoudre avant de pouvoir être mis en œuvre dans le matériel, et maintenant de nombreux laboratoires à travers le monde tentent de surmonter ces obstacles.
Des progrès ont été réalisés dans le passé dans le domaine de la technologie quantique grâce à des entreprises privées, notamment IBM et DWays.
Ils rendent régulièrement compte des derniers développements actuels dans ce domaine. Les recherches sont principalement menées par des scientifiques japonais et américains. Le Japon, dans sa quête du leadership mondial en matière de matériel et de logiciels, dépense d'énormes sommes d'argent pour le développement dans ce domaine. Selon le vice-président de Hewlett-Packard, jusqu'à 70 % de toutes les recherches ont été réalisées au pays du soleil levant. Les ordinateurs quantiques sont l’une des étapes de leur entreprise ciblée pour acquérir un leadership sur le marché mondial.

Qu’est-ce qui explique la volonté de maîtriser ces technologies ? Leurs avantages non négligeables indéniables par rapport aux ordinateurs à semi-conducteurs !

QU'EST-CE QUE C'EST?

Un ordinateur quantique est un appareil informatique qui fonctionne sur la base de la mécanique quantique.
Aujourd’hui, un ordinateur quantique à grande échelle est un dispositif hypothétique qui ne peut être créé compte tenu des données disponibles en théorie quantique.

Un ordinateur quantique n'utilise pas d'algorithmes classiques pour les calculs, mais des processus plus complexes de nature quantique, également appelés algorithmes quantiques. Ces algorithmes utilisent des effets de mécanique quantique : intrication quantique et parallélisme quantique.

Pour comprendre pourquoi un ordinateur quantique est nécessaire, il est nécessaire d’imaginer le principe de son fonctionnement.
Alors qu’un ordinateur conventionnel fonctionne en effectuant des opérations séquentielles sur les zéros et les uns, un ordinateur quantique utilise des anneaux de film supraconducteur. Le courant peut circuler à travers ces anneaux dans différentes directions, de sorte qu'une chaîne de tels anneaux peut mettre en œuvre simultanément beaucoup plus d'opérations avec des zéros et des uns.
C’est la puissance élevée qui constitue le principal avantage d’un ordinateur quantique. Malheureusement, ces anneaux sont soumis aux moindres influences extérieures, à la suite desquelles la direction du courant peut changer, et dans ce cas, les calculs s'avèrent incorrects.

DIFFÉRENCE D'UN ORDINATEUR QUANTIQUE D'UN CONVENTIONNEL

La principale différence entre les ordinateurs quantiques et les ordinateurs conventionnels est que le stockage, le traitement et la transmission des données ne s'effectuent pas à l'aide de « bits », mais de « qubits » - en termes simples, de « bits quantiques ». Comme un bit ordinaire, un qubit peut être dans les états familiers « |0> » et « |1> », et en plus - dans l'état de superposition A·|0> + B·|1>, où A et B sont des nombres complexes satisfaisant la condition | UNE |2 + | B |2 = 1.

TYPES D'ORDINATEURS QUANTIQUES

Il existe deux types d'ordinateurs quantiques. Les deux sont basés sur des phénomènes quantiques, mais d’un ordre différent.

ordinateurs basés sur la quantification du flux magnétique basée sur des violations de supraconductivité - jonctions Josephson. L'effet Josephson est déjà utilisé pour fabriquer des amplificateurs linéaires, des convertisseurs analogique-numérique, des SQUID et des corrélateurs. La même base d'éléments est utilisée dans le projet pour créer un ordinateur pétaflopique (1015 op./s). Une fréquence d'horloge de 370 GHz a été obtenue expérimentalement, qui pourra être augmentée à l'avenir jusqu'à 700 GHz. Cependant, le temps de déphasage des fonctions d'onde dans ces appareils est comparable au temps de commutation de vannes individuelles, et en fait, le temps déjà familier La base d'éléments est implémentée sur de nouveaux principes quantiques - bascules, registres et autres éléments logiques.

Un autre type d'ordinateurs quantiques, également appelés ordinateurs quantiques cohérents, nécessite de maintenir la cohérence des fonctions d'onde des qubits utilisés pendant tout le temps de calcul, du début à la fin (un qubit peut être n'importe quel système de mécanique quantique doté de deux niveaux d'énergie dédiés). En conséquence, pour certaines tâches Puissance de calcul Les ordinateurs quantiques cohérents sont proportionnels à 2N, où N est le nombre de qubits dans l'ordinateur. C’est à ce dernier type d’appareil que l’on entend parler d’ordinateurs quantiques.

ORDINATEURS QUANTIQUES MAINTENANT

Mais de petits ordinateurs quantiques sont créés aujourd’hui. La société D-Wave Systems travaille particulièrement activement dans ce sens, qui a créé en 2007 un ordinateur quantique de 16 qubits. Cet ordinateur a réussi à asseoir les invités à table, sur la base du fait que certains d’entre eux ne s’aimaient pas. Désormais, D-Wave Systems continue de développer des ordinateurs quantiques.

Un groupe de physiciens du Japon, de Chine et des États-Unis a réussi pour la première fois à construire un ordinateur quantique utilisant l'architecture de von Neumann, c'est-à-dire avec une séparation physique du processeur quantique et de la mémoire quantique. À l'heure actuelle, pour la mise en œuvre pratique des ordinateurs quantiques ( des ordinateurs, qui sont basés sur les propriétés inhabituelles des objets de la mécanique quantique), les physiciens utilisent divers types d'objets et de phénomènes exotiques - ions capturés dans un piège optique, résonance magnétique nucléaire. Pour ces nouveaux travaux, les scientifiques se sont appuyés sur des circuits supraconducteurs miniatures : la possibilité de mettre en œuvre un ordinateur quantique utilisant de tels circuits a été décrite dans Nature en 2008.

L'ordinateur assemblé par les scientifiques était constitué d'une mémoire quantique dont le rôle était joué par deux résonateurs micro-ondes, un processeur de deux qubits reliés par un bus (son rôle était également joué par un résonateur, et les qubits étaient des circuits supraconducteurs), et des dispositifs pour effacer les données. Grâce à cet ordinateur, les scientifiques ont réalisé deux algorithmes principaux- la transformée de Fourier dite quantique, et conjonction utilisant des éléments logiques quantiques de Toffoli :

Le premier algorithme est un analogue quantique de la transformée de Fourier discrète. Sa particularité est un nombre beaucoup plus petit (de l'ordre de n2) d'éléments fonctionnels lors de la mise en œuvre de l'algorithme par rapport à son analogue (de l'ordre de n 2n). La transformée de Fourier discrète est utilisée dans divers domaines de l'activité humaine - de l'étude des équations aux dérivées partielles à la compression des données.

À leur tour, les portes logiques quantiques de Toffoli sont des éléments de base à partir desquels, avec quelques exigences supplémentaires, n'importe quelle fonction (programme) booléenne peut être obtenue. Particularité Ces éléments sont réversibles, ce qui, d'un point de vue physique, permet, entre autres, de minimiser la génération de chaleur de l'appareil.

Selon les scientifiques, le système qu'ils ont créé présente un avantage remarquable : il est facilement évolutif. Ainsi, il peut servir en quelque sorte de pierre angulaire pour les futurs ordinateurs. Selon les chercheurs, les nouveaux résultats démontrent clairement les promesses de la nouvelle technologie.

Un ordinateur quantique est un appareil informatique qui utilise les phénomènes de superposition quantique et d’intrication quantique pour transmettre et traiter des données. Un ordinateur quantique universel à part entière est encore un dispositif hypothétique, dont la possibilité même de construction est associée au développement sérieux de la théorie quantique dans le domaine de nombreuses particules et d'expériences complexes ; les développements dans ce domaine sont associés aux dernières découvertes et réalisations de la physique moderne. À ce jour, seuls quelques systèmes expérimentaux exécutant un algorithme fixe de faible complexité ont été mis en œuvre dans la pratique.

Comme l'écrivent les éditeurs de Science Alert, un groupe de spécialistes de l'Université de Vienne a pu développer le premier routeur quantique de l'histoire et a même effectué les premiers tests du nouvel appareil. Il s'agit du premier appareil capable non seulement de recevoir des photons intriqués, mais également de les transmettre. De plus, le circuit utilisé dans le routeur pourrait devenir la base de la création d'un Internet quantique.

Candidat en Sciences Physiques et Mathématiques L. FEDICHKIN (Institut de Physique et Technologie Académie russe Sci.

En utilisant les lois de la mécanique quantique, il est possible de créer un type d'ordinateur fondamentalement nouveau qui permettra de résoudre certains problèmes inaccessibles même aux supercalculateurs modernes les plus puissants. La vitesse de nombreux calculs complexes augmentera considérablement ; les messages envoyés sur les lignes de communication quantiques seront impossibles à intercepter ou à copier. Aujourd’hui, des prototypes de ces ordinateurs quantiques du futur ont déjà été créés.

Mathématicien et physicien américain d'origine hongroise Johann von Neumann (1903-1957).

Physicien théoricien américain Richard Phillips Feynman (1918-1988).

Mathématicien américain Peter Shor, spécialiste dans le domaine de l'informatique quantique. Proposition d'un algorithme quantique pour une factorisation rapide grands nombres.

Bit quantique, ou qubit. Les états correspondent, par exemple, au sens de rotation du noyau atomique vers le haut ou vers le bas.

Un registre quantique est une chaîne de bits quantiques. Implémentation de portes quantiques à un ou deux qubits opérations logiques sur les qubits.

INTRODUCTION, OU UN PEU SUR LA PROTECTION DE L'INFORMATION

À votre avis, pour quel programme est-il vendu dans le monde ? le plus grand nombre des licences ? Je ne prendrai pas le risque d’insister sur le fait que je connais la bonne réponse, mais j’en connais certainement une fausse : celle-ci. Pas l'une des versions Microsoft Windows. Le système d'exploitation le plus courant devance un produit modeste de RSA Data Security, Inc. - un programme qui implémente un algorithme de cryptage avec Clé publique RSA, du nom de ses auteurs - les mathématiciens américains Rivest, Shamir et Adelman.

Le fait est que l'algorithme RSA est intégré à la plupart des systèmes d'exploitation commerciaux, ainsi qu'à de nombreuses autres applications utilisées dans divers appareils - des cartes à puce aux téléphones portables. En particulier, il est également disponible sous Microsoft Windows, ce qui signifie qu'il est évidemment plus répandu que ce populaire système opérateur. Pour détecter des traces de RSA, par exemple, dans le navigateur Internet Explorer (un programme permettant de visualiser des pages www sur Internet), il suffit d'ouvrir le menu « Aide », d'entrer dans le sous-menu « À propos d'Internet Explorer » et de visualiser la liste des produits utilisés depuis d'autres entreprises. Un autre navigateur courant, Netscape Navigator, utilise également l'algorithme RSA. En général, il est difficile de trouver une entreprise connue travaillant dans le domaine haute technologie, ce qui n'achèterait pas de licence pour ce programme. Aujourd'hui, RSA Data Security, Inc. a déjà vendu plus de 450 millions(!) de licences.

Pourquoi l’algorithme RSA était-il si important ?

Imaginez que vous ayez besoin d'échanger rapidement un message avec une personne éloignée. Grâce au développement d'Internet, un tel échange est devenu aujourd'hui accessible à la plupart des gens - il suffit de disposer d'un ordinateur avec un modem ou carte réseau. Naturellement, lorsque vous échangez des informations sur le réseau, vous souhaitez garder vos messages secrets vis-à-vis des étrangers. Cependant, il est impossible de protéger complètement une longue ligne de communication contre les écoutes clandestines. Cela signifie que lorsque les messages sont envoyés, ils doivent être cryptés et lorsqu’ils sont reçus, ils doivent être déchiffrés. Mais comment vous et votre interlocuteur pouvez-vous vous mettre d’accord sur la clé que vous allez utiliser ? Si vous envoyez la clé du chiffre sur la même ligne, un attaquant indiscret peut facilement l'intercepter. Vous pouvez bien entendu transmettre la clé via une autre ligne de communication, par exemple par télégramme. Mais cette méthode est généralement peu pratique et, en outre, pas toujours fiable : l'autre ligne peut également être mise sur écoute. C'est bien si vous et votre destinataire saviez à l'avance que vous échangeriez le cryptage et que vous vous donniez donc les clés à l'avance. Mais que se passe-t-il si, par exemple, vous souhaitez envoyer une offre commerciale confidentielle à un éventuel partenaire commercial ou acheter un produit qui vous plaît dans une nouvelle boutique en ligne en utilisant une carte de crédit ?

Dans les années 1970, pour résoudre ce problème, des systèmes de cryptage ont été proposés qui utilisent deux types de clés pour le même message : publique (n'ayant pas besoin d'être gardée secrète) et privée (strictement secrète). La clé publique est utilisée pour chiffrer le message et la clé privée est utilisée pour le déchiffrer. Vous envoyez une clé publique à votre correspondant, et il l'utilise pour chiffrer son message. Tout ce qu'un attaquant qui a intercepté une clé publique peut faire, c'est chiffrer son courrier électronique avec et le transmettre à quelqu'un. Mais il ne pourra pas déchiffrer la correspondance. Vous, connaissant la clé privée (elle est initialement stockée chez vous), pouvez facilement lire le message qui vous est adressé. Pour chiffrer les messages de réponse, vous utiliserez la clé publique envoyée par votre correspondant (et il gardera pour lui la clé privée correspondante).

Il s’agit exactement du schéma cryptographique utilisé dans l’algorithme RSA, la méthode de chiffrement à clé publique la plus courante. De plus, pour créer une paire de clés publique et privée, l'hypothèse importante suivante est utilisée. S'il y en a deux de grande taille (nécessitant l'écriture de plus d'une centaine de chiffres décimaux) simple nombres M et K, alors trouver leur produit N=MK ne sera pas difficile (vous n'avez même pas besoin d'avoir un ordinateur pour cela : une personne assez prudente et patiente pourra multiplier ces nombres avec un stylo et du papier). Mais pour résoudre le problème inverse, c'est-à-dire connaître un grand nombre N, décomposez-le en facteurs premiers M et K (ce qu'on appelle problème de factorisation) - presque impossible! C'est exactement le problème que rencontrera un attaquant s'il décide de « pirater » l'algorithme RSA et de lire les informations cryptées avec celui-ci : pour connaître la clé privée, connaissant la clé publique, il devra calculer M ou K. .

Pour tester la validité de l'hypothèse sur la complexité pratique de la factorisation de grands nombres, des concours spéciaux ont été et sont toujours organisés. La décomposition d’un seul nombre de 155 chiffres (512 bits) est considérée comme un enregistrement. Les calculs ont été effectués en parallèle sur de nombreux ordinateurs pendant sept mois en 1999. Si cette tâche était effectuée sur un seul moderne ordinateur personnel, cela prendrait environ 35 ans de temps informatique ! Les calculs montrent qu'en utilisant même un millier de postes de travail modernes et les plus connus aujourd'hui algorithmes de calcul un nombre à 250 chiffres peut être factorisé en 800 000 ans environ, et un nombre à 1 000 chiffres en 10 à 25 (!) ans. (À titre de comparaison, l'âge de l'Univers est d'environ 10 à 10 ans.)

Par conséquent, les algorithmes cryptographiques comme RSA, fonctionnant sur des clés suffisamment longues, étaient considérés comme absolument fiables et étaient utilisés dans de nombreuses applications. Et tout allait bien jusque-là ...jusqu'à l'apparition des ordinateurs quantiques.

Il s'avère qu'en utilisant les lois de la mécanique quantique, il est possible de construire des ordinateurs pour lesquels le problème de la factorisation (et bien d'autres !) ne sera pas difficile. On estime qu’un ordinateur quantique doté de seulement environ 10 000 bits quantiques de mémoire peut transformer un nombre de 1 000 chiffres en facteurs premiers en quelques heures seulement !

COMMENT TOUT A COMMENCÉ?

Ce n’est qu’au milieu des années 1990 que la théorie des ordinateurs quantiques et de l’informatique quantique s’est imposée comme nouvelle zone Les sciences. Comme c’est souvent le cas pour les grandes idées, il est difficile d’en identifier l’auteur. Apparemment, le mathématicien hongrois J. von Neumann a été le premier à attirer l'attention sur la possibilité de développer la logique quantique. Cependant, à cette époque, non seulement les ordinateurs quantiques, mais aussi les ordinateurs classiques ordinaires n’avaient pas encore été créés. Et avec l'avènement de ces derniers, les principaux efforts des scientifiques visaient principalement à rechercher et développer de nouveaux éléments pour eux (transistors, puis circuits intégrés), et non pour créer des appareils informatiques fondamentalement différents.

Dans les années 1960, le physicien américain R. Landauer, qui travaillait chez IBM, tentait d'attirer l'attention du monde scientifique sur le fait que les calculs sont toujours une tâche difficile. processus physique, ce qui signifie qu'il est impossible de comprendre les limites de nos capacités de calcul sans préciser à quelle implémentation physique elles correspondent. Malheureusement, à cette époque, l’opinion dominante parmi les scientifiques était que le calcul était une sorte de procédure logique abstraite qui devait être étudiée par des mathématiciens et non par des physiciens.

À mesure que les ordinateurs se généralisaient, les scientifiques quantiques sont arrivés à la conclusion qu'il était pratiquement impossible de calculer directement l'état d'un système en évolution constitué de seulement quelques dizaines de particules en interaction, comme une molécule de méthane (CH 4). Cela s'explique par le fait que pour description complète Pour un système complexe, il est nécessaire de stocker dans la mémoire de l'ordinateur un nombre exponentiellement grand (en termes de nombre de particules) de variables, appelées amplitudes quantiques. Une situation paradoxale s'est présentée : connaissant l'équation de l'évolution, connaissant avec une précision suffisante tous les potentiels d'interaction des particules entre elles et l'état initial du système, il est quasiment impossible de calculer son avenir, même si le système n'est constitué que de 30 électrons dans un puits de potentiel, et il y a un superordinateur avec RAM, dont le nombre de bits est égal au nombre d'atomes dans la région visible de l'Univers (!). Et en même temps, pour étudier la dynamique d'un tel système, vous pouvez simplement mener une expérience avec 30 électrons, en les plaçant dans un état potentiel et initial donné. Ceci a notamment été noté par le mathématicien russe Yu. I. Manin, qui a souligné en 1980 la nécessité de développer une théorie des dispositifs informatiques quantiques. Dans les années 1980, le même problème a été étudié par le physicien américain P. Benev, qui a clairement montré qu'un système quantique peut effectuer des calculs, ainsi que par le scientifique anglais D. Deutsch, qui a théoriquement développé un ordinateur quantique universel supérieur à son homologue classique.

Le prix Nobel de physique R. Feynman, bien connu des lecteurs réguliers de Science et Vie, a beaucoup attiré l'attention sur le problème du développement des ordinateurs quantiques. Grâce à son appel faisant autorité, le nombre de spécialistes qui se sont intéressés à l'informatique quantique a été multiplié par plusieurs.

Mais reste pendant longtemps On ne sait toujours pas si la puissance de calcul hypothétique d’un ordinateur quantique pourrait être utilisée pour accélérer la résolution de problèmes pratiques. Mais en 1994, le mathématicien américain et employé de Lucent Technologies (USA) P. Shor a stupéfié le monde scientifique en proposant un algorithme quantique permettant une factorisation rapide de grands nombres (l'importance de ce problème a déjà été évoquée en introduction). Comparé à la meilleure méthode classique connue aujourd’hui, l’algorithme quantique de Shor fournit une accélération multiple des calculs, et plus le nombre pris en compte est long, plus le gain de vitesse est important. L'algorithme de factorisation rapide présente un grand intérêt pratique pour diverses agences de renseignement qui ont accumulé des banques de messages non déchiffrés.

En 1996, L. Grover, collègue de Shore chez Lucent Technologies, a proposé un algorithme quantique pour une recherche rapide dans une base de données non ordonnée. (Un exemple d'une telle base de données est annuaire, dans lequel les noms des abonnés ne sont pas classés par ordre alphabétique, mais de manière arbitraire.) La tâche de recherche, de sélection de l'élément optimal parmi de nombreuses options se retrouve très souvent dans les problèmes économiques, militaires, d'ingénierie et dans les jeux informatiques. L'algorithme de Grover permet non seulement d'accélérer le processus de recherche, mais aussi de doubler environ le nombre de paramètres pris en compte lors du choix de l'optimum.

La véritable création d’ordinateurs quantiques a été entravée essentiellement par le seul problème sérieux : les erreurs ou les interférences. Le fait est que le même niveau d'interférence gâche le processus de calcul quantique de manière beaucoup plus intense que le processus classique. P. Shor a décrit les moyens de résoudre ce problème en 1995, en développant un système de codage des états quantiques et en corrigeant les erreurs qu'ils contiennent. Malheureusement, le sujet de la correction d’erreurs dans les ordinateurs quantiques est aussi important que complexe à aborder dans cet article.

DISPOSITIF D'UN ORDINATEUR QUANTIQUE

Avant de vous expliquer comment fonctionne un ordinateur quantique, rappelons les principales caractéristiques des systèmes quantiques (voir aussi « Science et Vie » n°8, 1998 ; n°12, 2000).

Pour comprendre les lois monde quantique ne doit pas s’appuyer directement sur l’expérience quotidienne. De la manière habituelle (dans la compréhension quotidienne), les particules quantiques se comportent uniquement si nous les « regardons » constamment ou, plus strictement parlant, si nous mesurons constamment l'état dans lequel elles se trouvent. Mais dès que nous « nous détournons » (arrêtons d’observer), les particules quantiques passent immédiatement d’un état très spécifique à plusieurs formes différentes à la fois. C'est-à-dire qu'un électron (ou tout autre objet quantique) sera partiellement localisé à un point, partiellement à un autre, partiellement à un troisième, etc. Cela ne veut pas dire qu'il est divisé en tranches, comme une orange. Il serait alors possible d’isoler de manière fiable une partie de l’électron et de mesurer sa charge ou sa masse. Mais l’expérience montre qu’après la mesure, l’électron s’avère toujours « sain et sauf » en un seul point, malgré le fait qu’avant cela, il parvenait à être presque partout à la fois. Cet état d'un électron, lorsqu'il se trouve à la fois en plusieurs points de l'espace, est appelé superposition d'états quantiques et sont généralement décrits par la fonction d'onde, introduite en 1926 par le physicien allemand E. Schrödinger. Le module de la valeur de la fonction d'onde en tout point, au carré, détermine la probabilité de trouver une particule en ce point à un instant donné. Après avoir mesuré la position d'une particule, sa fonction d'onde semble rétrécir (s'effondrer) jusqu'au point où la particule a été détectée, puis recommence à s'étendre. La propriété des particules quantiques d'être dans plusieurs états simultanément, appelée parallélisme quantique, a été utilisé avec succès en informatique quantique.

Bit quantique

La cellule de base d’un ordinateur quantique est un bit quantique ou, en abrégé, qubit(q-bits). Il s'agit d'une particule quantique qui a deux états de base, désignés par 0 et 1 ou, comme il est d'usage en mécanique quantique, et. Deux valeurs du qubit peuvent correspondre, par exemple, aux états fondamental et excité de l'atome, aux directions haut et bas du spin du noyau atomique, au sens du courant dans l'anneau supraconducteur, à deux positions possibles de l'électron dans le semi-conducteur, etc.

Registre quantique

Le registre quantique est structuré presque de la même manière que le registre classique. Il s'agit d'une chaîne de bits quantiques sur laquelle des opérations logiques à un et deux bits peuvent être effectuées (similaires à l'utilisation d'opérations NOT, 2I-NOT, etc. dans un registre classique).

Les états de base d'un registre quantique formé de L qubits incluent, comme dans le registre classique, toutes les séquences possibles de zéros et de uns de longueur L. Il peut y avoir 2 L combinaisons différentes au total. Ils peuvent être considérés comme un enregistrement de nombres sous forme binaire de 0 à 2 L -1 et notés. Cependant, ces états de base n'épuisent pas toutes les valeurs possibles du registre quantique (contrairement au registre classique), puisqu'il existe également des états de superposition définis par des amplitudes complexes liées par la condition de normalisation. Il n'existe tout simplement pas d'analogue classique pour la plupart des valeurs possibles d'un registre quantique (à l'exception des valeurs de base). Les états d’un registre classique ne sont qu’une ombre pitoyable de toute la richesse des états d’un ordinateur quantique.

Imaginez qu'une influence externe soit appliquée au registre, par exemple, des impulsions électriques sont appliquées à une partie de l'espace ou des faisceaux laser sont dirigés. S'il s'agit d'un registre classique, une impulsion, qui peut être considérée comme une opération de calcul, va changer L variables. S'il s'agit d'un registre quantique, alors la même impulsion peut simultanément être convertie en variables. Ainsi, un registre quantique est, en principe, capable de traiter les informations plusieurs fois plus rapidement que son homologue classique. De là, il est immédiatement clair que les petits registres quantiques (L<20) могут служить лишь для демонстрации отдельных узлов и принципов работы квантового компьютера, но не принесут большой практической пользы, так как не сумеют обогнать современные ЭВМ, а стоить будут заведомо дороже. В действительности квантовое ускорение обычно значительно меньше, чем приведенная грубая оценка сверху (это связано со сложностью получения большого количества амплитуд и считывания результата), поэтому практически полезный квантовый компьютер должен содержать тысячи кубитов. Но, с другой стороны, понятно, что для достижения действительного ускорения вычислений нет необходимости собирать миллионы квантовых битов. Компьютер с памятью, измеряемой всего лишь в килокубитах, будет в некоторых задачах несоизмеримо быстрее, чем классический суперкомпьютер с терабайтами памяти.

Il convient toutefois de noter qu’il existe une classe de problèmes pour lesquels les algorithmes quantiques ne fournissent pas d’accélération significative par rapport aux algorithmes classiques. L'un des premiers à l'avoir démontré fut le mathématicien russe Yu. Ozhigov, qui a construit un certain nombre d'exemples d'algorithmes qui, en principe, ne peuvent pas être accélérés par un seul cycle d'horloge sur un ordinateur quantique.

Néanmoins, il ne fait aucun doute que les ordinateurs fonctionnant selon les lois de la mécanique quantique constituent une étape nouvelle et décisive dans l’évolution des systèmes informatiques. Il ne reste plus qu'à les construire.

LES ORDINATEURS QUANTIQUES AUJOURD'HUI

Des prototypes d’ordinateurs quantiques existent déjà aujourd’hui. Certes, jusqu'à présent, il a été expérimentalement possible d'assembler uniquement de petits registres constitués de quelques bits quantiques seulement. Ainsi, récemment, un groupe dirigé par le physicien américain I. Chang (IBM) a annoncé l'assemblage d'un ordinateur quantique à 5 bits. Sans aucun doute, c’est une grande réussite. Malheureusement, les systèmes quantiques existants ne sont pas encore capables de fournir des calculs fiables, car soit ils sont mal contrôlés, soit ils sont très sensibles au bruit. Cependant, il n’existe aucune restriction physique à la construction d’un ordinateur quantique efficace ; il suffit de surmonter les difficultés technologiques.

Il existe plusieurs idées et propositions sur la manière de créer des bits quantiques fiables et facilement contrôlables.

I. Chang développe l'idée d'utiliser les spins des noyaux de certaines molécules organiques comme qubits.

Le chercheur russe M.V. Feigelman, travaillant à l'Institut de physique théorique du nom. L.D. Landau RAS, propose d'assembler des registres quantiques à partir d'anneaux supraconducteurs miniatures. Chaque anneau joue le rôle d'un qubit, et les états 0 et 1 correspondent au sens du courant électrique dans l'anneau - dans le sens des aiguilles d'une montre et dans le sens inverse. Ces qubits peuvent être commutés à l’aide d’un champ magnétique.

À l'Institut de physique et de technologie de l'Académie des sciences de Russie, un groupe dirigé par l'académicien K. A. Valiev a proposé deux options pour placer les qubits dans des structures semi-conductrices. Dans le premier cas, le rôle d'un qubit est joué par un électron dans un système de deux puits de potentiel créé par une tension appliquée à des mini-électrodes à la surface du semi-conducteur. Les états 0 et 1 sont les positions de l'électron dans l'un de ces puits. Le qubit est commuté en modifiant la tension sur l'une des électrodes. Dans une autre version, le qubit est le noyau d'un atome de phosphore intégré à un certain point du semi-conducteur. États 0 et 1 - directions du spin nucléaire le long ou contre le champ magnétique externe. Le contrôle est effectué en utilisant l'action combinée d'impulsions magnétiques de fréquence de résonance et d'impulsions de tension.

Ainsi, des recherches sont activement en cours et on peut supposer que dans un avenir très proche – dans une dizaine d’années – un ordinateur quantique efficace sera créé.

UN REGARD VERS L'AVENIR

Ainsi, il est fort possible qu'à l'avenir, les ordinateurs quantiques soient fabriqués selon les méthodes traditionnelles de la technologie microélectronique et contiennent de nombreuses électrodes de commande, rappelant un microprocesseur moderne. Afin de réduire le niveau de bruit, essentiel au fonctionnement normal d’un ordinateur quantique, les premiers modèles devront apparemment être refroidis à l’hélium liquide. Il est probable que les premiers ordinateurs quantiques seront des appareils encombrants et coûteux qui ne tiendront pas sur un bureau et qui seront entretenus par une grande équipe de programmeurs système et d’ajusteurs de matériel en blouse blanche. Premièrement, seules les agences gouvernementales y auront accès, puis les riches organisations commerciales. Mais l’ère des ordinateurs conventionnels a commencé à peu près de la même manière.

Qu’adviendra-t-il des ordinateurs classiques ? Vont-ils mourir ? À peine. Les ordinateurs classiques et quantiques ont leurs propres domaines d’application. Bien que, très probablement, le ratio du marché se déplacera progressivement vers ce dernier.

L’introduction des ordinateurs quantiques ne permettra pas de résoudre des problèmes classiques fondamentalement insolubles, mais ne fera qu’accélérer certains calculs. De plus, la communication quantique deviendra possible - le transfert de qubits à distance, ce qui conduira à l'émergence d'une sorte d'Internet quantique. La communication quantique permettra d'assurer une connexion sécurisée (selon les lois de la mécanique quantique) de chacun entre eux contre les écoutes clandestines. Vos informations stockées dans des bases de données quantiques seront protégées de manière plus fiable contre la copie qu’aujourd’hui. Les entreprises produisant des programmes pour ordinateurs quantiques pourront les protéger de toute copie, y compris illégale.

Pour une compréhension plus approfondie de ce sujet, vous pouvez lire l'article de synthèse de E. Riffel et V. Polak, « Fundamentals of Quantum Computing », publié dans la revue russe « Quantum Computers and Quantum Computing » (n° 1, 2000). (À propos, il s'agit de la première et jusqu'à présent de la seule revue au monde dédiée à l'informatique quantique. Des informations supplémentaires à ce sujet peuvent être trouvées sur Internet à l'adresse http://rcd.ru/qc.). Une fois que vous maîtriserez ce travail, vous pourrez lire des articles scientifiques sur l’informatique quantique.

Une préparation mathématique un peu plus préalable sera nécessaire à la lecture du livre de A. Kitaev, A. Shen, M. Vyaly « Classical and Quantum Computations » (Moscou : MTsNMO-CheRo, 1999).

Un certain nombre d'aspects fondamentaux de la mécanique quantique, essentiels à la réalisation de calculs quantiques, sont abordés dans le livre de V. V. Belokurov, O. D. Timofeevskaya, O. A. Khrustalev « La téléportation quantique - un miracle ordinaire » (Ijevsk : RHD, 2000).

La maison d'édition RCD s'apprête à publier une traduction de la critique d'A. Steen sur les ordinateurs quantiques dans un livre séparé.

La littérature suivante sera utile non seulement sur le plan pédagogique, mais aussi historique :

1) Yu. I. Manin. Calculable et incalculable.

M. : Sov. radio, 1980.

2) J. von Neumann. Fondements mathématiques de la mécanique quantique.

M. : Nauka, 1964.

3) R. Feynman. Simulation de la physique sur ordinateur // Ordinateur quantique et informatique quantique :

Assis. en 2 volumes - Ijevsk : RHD, 1999. T. 2, p. 96-123.

4) R. Feynman. Ordinateurs de mécanique quantique

// Ibid., p. 123.-156.

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Les ordinateurs quantiques promettent une véritable révolution, non seulement dans l’informatique, mais aussi dans la vie réelle. Les médias regorgent de gros titres sur la façon dont les ordinateurs quantiques détruiront la cryptographie moderne et la puissance de l'intelligence artificielle, grâce à eux, augmentera de plusieurs ordres de grandeur.

Au cours des dix dernières années, les ordinateurs quantiques sont passés de la théorie pure aux premiers exemples concrets. Certes, il reste encore un long chemin à parcourir avant la révolution promise, et son influence en fin de compte pourrait ne pas être aussi étendue qu’il y paraît aujourd’hui.

Comment fonctionne un ordinateur quantique ?

Un ordinateur quantique est un appareil qui utilise les phénomènes de superposition quantique et d’intrication quantique. L’élément principal de ces calculs est le qubit, ou bit quantique. Derrière tous ces mots se cachent des mathématiques et une physique assez complexes, mais si vous les simplifiez autant que possible, vous obtenez quelque chose comme ceci.

Dans les ordinateurs ordinaires, nous traitons avec des bits. Un bit est une unité de mesure d'information dans un système binaire. Il peut prendre les valeurs 0 et 1, ce qui est très pratique non seulement pour les opérations mathématiques, mais aussi pour les opérations logiques, puisque zéro peut être associé à la valeur « faux » et un à « vrai ».

Les processeurs modernes sont construits sur la base de transistors, des éléments semi-conducteurs qui peuvent ou non laisser passer le courant électrique. En d’autres termes, il produit deux valeurs, 0 et 1. De même, dans la mémoire flash, un transistor à grille flottante peut stocker des charges. S'il est présent, nous en obtenons un, s'il n'y est pas, nous obtenons zéro. L'enregistrement numérique magnétique fonctionne de la même manière, seul le support d'information est une particule magnétique, avec ou sans charge.

Dans les calculs, on lit la valeur d'un bit (0 ou 1) dans la mémoire puis on fait passer du courant à travers le transistor et, selon qu'il le passe ou non, on obtient un nouveau bit en sortie, ayant éventuellement une valeur différente.

Que sont les qubits pour les ordinateurs quantiques ? Dans un ordinateur quantique, l'élément principal est un qubit - un bit quantique. Contrairement à un bit ordinaire, il est dans un état de superposition quantique, c'est-à-dire qu'il a la valeur à la fois de 0 et de 1, ainsi que toute combinaison de ces valeurs à tout moment. S’il y a plusieurs qubits dans le système, en changer un implique également de changer tous les autres qubits.

Cela vous permet de calculer simultanément toutes les options possibles. Un processeur conventionnel, avec ses calculs binaires, calcule en fait les options de manière séquentielle. D’abord un scénario, puis un autre, puis un troisième, etc. Pour accélérer les choses, ils ont commencé à utiliser le multithreading, à exécuter des calculs en parallèle, à prélire, pour prédire les options de branchement possibles et les calculer à l'avance. Dans un ordinateur quantique, tout cela se fait en parallèle.

Le principe de calcul est également différent. En un sens, un ordinateur quantique contient déjà toutes les options possibles pour résoudre le problème : notre tâche consiste uniquement à lire l'état des qubits et... à choisir parmi eux la bonne option. Et c’est là que commencent les difficultés. C'est le principe de fonctionnement d'un ordinateur quantique.

Création d'un ordinateur quantique

Qu'est-ce qu'il serait nature physique ordinateur quantique ? Un état quantique ne peut être atteint que dans les particules. Un qubit ne peut pas être construit à partir de plusieurs atomes, comme un transistor. Jusqu'à présent, ce problème n'a pas été entièrement résolu. Il existe plusieurs options. Les états de charge des atomes sont utilisés, par exemple, la présence ou l'absence d'un électron en un point ordinaire, d'éléments supraconducteurs, de photons, etc.

De telles « questions subtiles » imposent des restrictions sur la mesure de l’état des qubits. Les énergies sont extrêmement faibles, des amplificateurs sont nécessaires pour lire les données. Mais les amplificateurs peuvent influencer un système quantique et modifier ses états. Cependant, non seulement eux, mais même le fait même de l'observation, peuvent avoir une signification.

L'informatique quantique implique une séquence d'opérations effectuées sur un ou plusieurs qubits. Ceux-ci entraînent à leur tour des changements dans l’ensemble du système. La tâche consiste à sélectionner le bon parmi ses états, ce qui donne le résultat des calculs. Dans ce cas, il peut y avoir autant d’états que possible qui s’en rapprochent le plus. En conséquence, la précision de ces calculs sera presque toujours différente de l’unité.

Ainsi, un ordinateur quantique à part entière nécessite des progrès significatifs en physique. De plus, la programmation d’un ordinateur quantique sera différente de ce qui existe actuellement. Enfin, les ordinateurs quantiques ne seront pas capables de résoudre des problèmes qui ne peuvent pas être résolus par des problèmes conventionnels, mais ils pourront accélérer la résolution de ceux qu’ils peuvent gérer. C'est vrai, encore une fois, pas tous.

Comptage de qubits, ordinateur quantique qubit

Peu à peu, les problèmes sur la voie d’un ordinateur quantique sont supprimés. Les premiers qubits ont été construits au début du siècle. Le processus s’est accéléré au début de la décennie. Aujourd'hui, les développeurs sont déjà capables de produire des processeurs dotés de plusieurs dizaines de qubits.

La dernière avancée en date a été la création du processeur Bristlecone dans les entrailles de Google. En mars 2018, la société a annoncé qu'elle était en mesure de construire un processeur de 72 qubits. Google ne précise pas sur quels principes physiques Bristlecone est construit. Cependant, on pense que 49 qubits suffisent pour atteindre la « suprématie quantique », lorsqu’un ordinateur quantique commence à surpasser un ordinateur conventionnel. Google a réussi à remplir cette condition, mais le taux d'erreur de 0,6 % reste supérieur aux 0,5 % requis.

À l'automne 2017, IBM a annoncé la création d'un prototype de processeur quantique de 50 qubits. Il est testé. Mais en 2017, IBM a ouvert son processeur de 20 qubits au cloud computing. En mars 2018, une version plus petite d'IBM Q a été lancée. N'importe qui peut mener des expériences sur un tel ordinateur. Sur la base de leurs résultats, 35 articles scientifiques ont déjà été publiés.

Au début du 10e anniversaire, la société suédoise D-Wave est apparue sur le marché, qui a positionné ses ordinateurs comme quantiques. Il a suscité beaucoup de controverses, car il annonçait la création de machines à 1 000 qubits, alors que les dirigeants reconnus « bricolaient » seulement quelques qubits. Les ordinateurs des développeurs suédois se sont vendus entre 10 et 15 millions de dollars, les tester n'était donc pas si simple.

Les ordinateurs D-Wave ne sont pas quantiques au sens propre du terme, mais ils utilisent certains effets quantiques qui peuvent être utilisés pour résoudre certains problèmes d'optimisation. En d’autres termes, tous les algorithmes pouvant être exécutés sur un ordinateur quantique ne reçoivent pas d’accélération quantique sur D-Wave. Google a acquis l'un des systèmes suédois. En conséquence, ses chercheurs ont reconnu les ordinateurs comme étant « limitément quantiques ». Il s'est avéré que les qubits sont regroupés en groupes de huit, c'est-à-dire que leur nombre réel est sensiblement inférieur à celui déclaré.

Ordinateur quantique en Russie

Une école de physique traditionnellement solide permet d’apporter une contribution significative à la résolution de problèmes physiques pour créer un ordinateur quantique. En janvier 2018, les Russes ont créé un amplificateur de signal pour un ordinateur quantique. Étant donné que l'amplificateur lui-même est capable d'influencer l'état des qubits grâce à son fonctionnement, le niveau de bruit qu'il génère ne devrait pas différer du « vide ». C’est ce qu’ont réussi à faire des scientifiques russes du laboratoire « Métamatériaux supraconducteurs » de NUST MISIS et de deux instituts de l’Académie des sciences de Russie. Des supraconducteurs ont été utilisés pour créer l’amplificateur.

Un centre quantique a également été créé en Russie. Il s'agit d'une organisation de recherche non gouvernementale engagée dans des recherches dans le domaine de la physique quantique. Elle travaille également sur le problème de la création de qubits. Derrière le centre se trouvent l'homme d'affaires Sergei Belousov et le professeur de l'Université Harvard Mikhail Lukin. Sous sa direction, Harvard avait déjà créé un processeur de 51 qubits qui, quelque temps avant l'annonce de Bristlecon, était l'ordinateur quantique le plus puissant au monde.

Le développement de l’informatique quantique fait désormais partie du programme national d’économie numérique. En 2018-20, un soutien de l'État sera alloué aux travaux dans ce domaine. Le plan d'action prévoit la création d'un simulateur quantique utilisant huit qubits supraconducteurs. Après cela, la question de la poursuite de l’extension de cette technologie sera tranchée.

De plus, avant 2020, la Russie envisage de tester une autre technologie quantique : construire des qubits sur des atomes neutres et des ions chargés dans des pièges.

L'un des objectifs du programme est de créer des dispositifs de cryptographie quantique et de communication quantique. Des centres de distribution de clés quantiques seront créés, qui les distribueront aux consommateurs - banques, centres de données et entreprises industrielles. On pense qu’un ordinateur quantique à part entière peut briser n’importe quel algorithme de cryptage moderne en quelques minutes.

Finalement

Les ordinateurs quantiques sont donc encore expérimentaux. Il est peu probable qu’un ordinateur quantique à part entière, capable d’une puissance de calcul vraiment élevée, apparaisse avant la prochaine décennie. La production de qubits et la construction de systèmes stables à partir de ceux-ci sont encore loin d’être parfaites.

À en juger par le fait qu'au niveau physique, les ordinateurs quantiques disposent de plusieurs solutions qui diffèrent par la technologie et, probablement, par le coût, ils ne seront pas unifiés avant 10 ans. Le processus de normalisation peut prendre beaucoup de temps.

En outre, il est déjà clair que les ordinateurs quantiques resteront très probablement des appareils « fragmentaires » et très coûteux au cours de la prochaine décennie. Il est peu probable qu'ils finissent dans la poche d'un utilisateur ordinaire, mais on peut s'attendre à leur apparition dans la liste des supercalculateurs.

Il est probable que les ordinateurs quantiques seront proposés dans un modèle « cloud », où leurs ressources pourront être utilisées par les chercheurs et les organisations intéressés.