Les promesses de l'informatique quantique sont grandes, et les physiciens et informaticiens africains peuvent maintenant contribuer à en faire une réalité.

L'excitation autour de l'informatique quantique ne cesse de croître, les chercheurs tentant de repousser les limites de ce qui est possible avec les dispositifs quantiques actuels. Mais la promesse de l'informatique quantique est-elle vraiment si séduisante et, surtout, notre excitation est-elle justifiée ?

En tant que chercheuse dans le domaine de l'informatique quantique, vous pourriez penser que je suis légèrement biaisée pour répondre à ces questions. Je vais donc plutôt vous présenter les bases de l'informatique quantique, et vous déciderez !

Pourquoi quantique ?

Je dois admettre que je n'ai jamais vraiment très bien compris la physique au lycée. Je savais que si je lançais une balle, elle finirait par retomber, et mon professeur parlait d'équations, comme les lois du mouvement de Newton, qui peuvent modéliser ou prédire jusqu'où la balle finirait. Ce que mon professeur omettait de mentionner, cependant, c'est que ces équations appartiennent à la physique classique et ne font qu'approximer ce que nous observons, alors que la véritable description de la nature et de notre environnement est en fait régie par la physique quantique.

La physique classique fournit les règles et les mécanismes que nos ordinateurs actuels utilisent pour stocker des informations et effectuer des calculs. Les bits d'information sont généralement représentés sous forme binaire, c'est-à-dire par des 1 et des 0. Ceci est physiquement réalisé par l'électricité qui circule dans un circuit, commutant les transistors « on » ou « off », ce qui correspond à des bits égaux à 1 ou 0. Ces chaînes de 1 et de 0 forment les éléments constitutifs du calcul classique.

Combinaisons de 1 et de 0

Et maintenant, si nous créions un ordinateur qui utilise les principes de la physique quantique pour stocker des informations et effectuer des calculs ? Cette extension naturelle devrait immédiatement vous faire vous demander deux choses : 1) pouvons-nous stocker des informations différemment, et 2) pouvons-nous effectuer des calculs différents ?

La réponse à ces deux questions est oui, et le dispositif utilisé pour y parvenir est un ordinateur quantique. En exploitant les principes de la physique quantique, nous pouvons construire un dispositif qui nous permet de stocker des bits d'information sous forme de 1 et de 0, ainsi que des combinaisons linéaires de 1 et de 0.

Corrélations non classiques

Nous appelons qubits ces bits d'information quantiques, et les combinaisons linéaires sont appelées états de superposition. Les qubits en superposition nous permettent d'effectuer différentes opérations dans un circuit et cet état supplémentaire offre plus de flexibilité dans la façon dont nous codons l'information.

Ce qui est également cool avec les qubits, c'est qu'ils peuvent interférer les uns avec les autres et devenir corrélés d'une manière qui ne peut pas être observée classiquement. Cette corrélation non classique est connue sous le nom d'intrication quantique. Alors, que pouvons-nous faire exactement avec des choses comme la superposition et l'intrication ?

Résoudre de grands problèmes combinatoires

Le codage de l'information en combinaisons linéaires de 1 et de 0 nous donne un espace beaucoup plus grand pour travailler, un espace exponentiellement plus grand pour être exact. Avec seulement 250 qubits, nous pouvons déjà représenter plus d'états (en superposition) qu'il n'y a d'atomes dans l'Univers observable !

Les chercheurs pensent que cela nous permettra de résoudre de grands problèmes combinatoires bien plus efficacement que nous ne pourrons jamais le faire sur des ordinateurs classiques. Il y a déjà eu des démonstrations de l'avantage quantique dans la factorisation de grands nombres par exemple, ce qui est important lorsqu'il s'agit de casser certaines méthodologies de cryptage. Mais les grands problèmes combinatoires se présentent en chimie, en optimisation et même en finance - autant de domaines prometteurs pour que l'informatique quantique puisse avoir un impact.

Améliorer aussi les algorithmes

Une autre question de recherche importante et en cours est de savoir comment utiliser les ressources quantiques, telles que l'intrication, pour concevoir des algorithmes plus rapides, plus efficaces ou plus intéressants. Il s'agit d'une question particulièrement pertinente dans le domaine de l'apprentissage automatique quantique qui cherche à améliorer les approches d'apprentissage automatique existantes par l'utilisation d'ordinateurs quantiques.

Ma recherche, en particulier, porte sur l'étude de la puissance des modèles d'apprentissage automatique quantique par rapport à ceux utilisés en pratique sur les ordinateurs classiques, comme les réseaux neuronaux. Nous faisons des progrès intéressants et trouvons de plus en plus de soutien pour l'utilisation des modèles d'apprentissage automatique quantique. Ce qui est passionnant, c'est qu'il y a tant de choses à découvrir et que les applications potentielles de l'informatique quantique en général couvrent de très nombreux domaines.

En savoir plus sur l'informatique quantique

Si ce que vous avez lu jusqu'ici a piqué votre intérêt et que vous vous demandez comment en apprendre davantage sur le fonctionnement de l'informatique quantique, vous avez de la chance. Il existe plein de ressources étonnantes et gratuites pour commencer.

Le manuel Qiskit présente les bases, avec d'excellents exemples de codage pour rendre les choses concrètes. Si vous êtes quelqu'un de pratique, c'est certainement un excellent endroit pour commencer.

Des participants heureux au camp d'informatique quantique Qiskit en Suisse, 2019. L'autrice est la première sur la gauche. Crédit : IBM Research

Ressources théoriques

Si vous êtes féru de théorie, l'ouvrage de Nielsen et Chuang Quantum Computation and Quantum Information est le manuel canonique pour bien se familiariser avec les algorithmes de calcul quantique. Enfin, si vous souhaitez quelque chose de plus formel, il existe d'excellents cours et conférences sur edX pour vous lancer.

À partir de ces ressources, vous serez en mesure de discerner ce qui vous plaît au sein de l'informatique quantique, qu'il s'agisse de la façon de construire des ordinateurs quantiques, de la façon de les corriger des erreurs ou de la façon de les programmer.

Accéder à un ordinateur quantique

En guise de bonus, IBM met gratuitement à disposition certains de ses ordinateurs quantiques via le cloud sur le site IBM Quantum Experience. Essayez de créer un circuit quantique qui enchevêtre deux qubits sur l'IBM Quantum Composer.

Ici, vous pouvez créer un circuit quantique avec un nombre spécifié de qubits et faire glisser et déposer différentes opérations quantiques pour voir quels effets elles ont sur le circuit quantique. Une fois que vous avez compris, pour vous lancer un défi, essayez de créer un circuit qui mesure la parité du système et stocke le résultat dans le dernier qubit.

Un réseau africain

En tant que chercheur africain, si vous êtes affilié à l'une des universités du réseau ARUA, vous pouvez également obtenir l'accès à des appareils premium qui possèdent plus de qubits. Cette initiative vise à encourager la recherche de pointe en Afrique, où de nombreux problèmes pourraient être résolus par des approches non traditionnelles, comme l'informatique quantique. Divers groupes de recherche à travers le continent africain ont commencé à faire des progrès dans la recherche sur l'informatique quantique, et les possibilités d'étudier et d'apprendre l'informatique quantique n'ont cessé de croître au cours des deux dernières années.

On constate également un intérêt croissant de la part de diverses industries sur la façon dont l'informatique quantique est susceptible d'avoir un impact sur l'avenir de l'informatique en Afrique. Le VIH peut-il être mieux simulé avec un algorithme quantique ? Le dépistage du paludisme pourrait-il être plus facile pour un ordinateur quantique ? Ou peut-être que les contraintes de logistique et de transport plus complexes en Afrique nécessitent des modèles quantiques.

C'est à vous de jouer !

Ce ne sont que quelques applicationsà peine abordées pour l'informatique quantique en Afrique. Dans l'ensemble, le domaine progresse rapidement et regorge d'applications significatives et de recherches de haute qualité qui peuvent venir de vous, si vous êtes fasciné - les ressources pour apprendre sont facilement disponibles et le moment est propice. Et grâce à des entreprises comme IBM, nous pouvons commencer à tester, à développer et à mettre en œuvre des applications du monde réel.

Donc, revenons à la question initiale : la promesse de l'informatique quantique est-elle vraiment si séduisante et notre excitation est-elle justifiée ? Nous ne pouvons pas encore vraiment en être sûrs, mais nous le découvrirons bientôt !

Amira Abbas, chercheuse en informatique quantique, IBM Quantum et Université du KwaZulu-Natal, Afrique du Sud

Cet article a d'abord été publié par la Lettre d'information de la physique africaine - © American Physical Society, 2021. Traduit en français par Afriscitech.