Présentation du cours

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À propos de ce cours

Bienvenue à Quantum Computing in Practice - un cours qui se concentre sur les ordinateurs quantiques d'aujourd'hui et sur la manière de les utiliser au maximum de leur potentiel. Il couvre des cas d'utilisation potentiels réalistes de l'informatique quantique ainsi que les meilleures pratiques pour l'exploitation et l'expérimentation de processeurs quantiques dotés de 100 qubits ou plus.

Utilité quantique

L'informatique quantique vit une période passionnante. Après de nombreuses années de recherche et de développement théoriques et expérimentaux, les ordinateurs quantiques approchent du point où ils pourront commencer à concurrencer les ordinateurs classiques et à faire la preuve de leur utilité.

L'utilité n'est pas la même chose que l' avantage quantique, qui fait référence aux ordinateurs quantiques plus performants que les ordinateurs classiques pour des tâches significatives. Les ordinateurs classiques ont une puissance et une capacité d'adaptation incroyables, et le fait est que les ordinateurs quantiques ne sont tout simplement pas encore en mesure de les battre. Nous avons assisté à des décennies de progrès dans l'informatique classique - non seulement dans le matériel informatique mais aussi dans les algorithmes pour les ordinateurs classiques - et nous pouvons observer avec clarté que la technologie de l'informatique numérique électronique a radicalement changé notre monde.

L'informatique quantique, quant à elle, se trouve à un stade différent de son développement. L'informatique quantique impose des exigences extrêmes à notre contrôle des systèmes mécaniques quantiques et repousse les limites de la technologie actuelle - et nous ne pouvons pas raisonnablement espérer maîtriser cette nouvelle technologie et battre l'informatique classique dès le départ. Mais nous voyons des signes qui suggèrent que les ordinateurs quantiques commencent à devenir compétitifs par rapport aux méthodes informatiques classiques pour certaines tâches, ce qui constitue une étape naturelle dans l'évolution technologique de l'informatique quantique connue sous le nom d' utilité quantique.

Au fur et à mesure que la technologie progresse et que de nouvelles méthodes d'informatique quantique sont mises au point, on peut raisonnablement s'attendre à ce que ses avantages deviennent de plus en plus prononcés, mais cela prendra du temps. Au fur et à mesure que cela se produira, nous assisterons probablement à une interaction en va-et-vient avec l'informatique classique : des démonstrations d'informatique quantique seront effectuées, l'informatique classique réagira, l'informatique quantique fera un nouveau tour et le schéma se répétera. Et un jour, lorsque les performances d'un ordinateur quantique ne pourront être égalées de manière classique, nous émettrons l'hypothèse que nous avons constaté un avantage quantique - mais même alors, nous n'en aurons pas la certitude! Prouver les résultats d'impossibilité pour les ordinateurs classiques est en soi un problème extrêmement difficile, pour autant que nous le sachions.

Simuler la nature

Les simulateurs classiques - c'est-à-dire les programmes informatiques fonctionnant sur des ordinateurs classiques qui simulent des systèmes physiques - peuvent faire des prédictions sur les systèmes mécaniques quantiques. Mais les simulateurs classiques ne sont pas quantiques et ne peuvent pas émuler directement des systèmes quantiques. Au lieu de cela, ils utilisent des calculs mathématiques pour approximer le comportement quantique. Au fur et à mesure que la taille des systèmes simulés augmente, la charge de travail nécessaire à cette opération s'accroît considérablement, ce qui limite les systèmes quantiques pouvant être simulés classiquement, la durée des simulations et la précision des résultats.

Les ordinateurs quantiques, quant à eux, peuvent émuler des systèmes quantiques plus directement et, par conséquent, les frais généraux qu'ils requièrent s'échelonnent beaucoup mieux à mesure que la taille du système augmente. C'est en fait l'idée de Richard Feynman ( 1980s ) qui a été à l'origine de l'étude du potentiel des ordinateurs quantiques. Nous en reparlerons plus tard!

IBM® Des chercheurs ont publié en 2023 un article démontrant, pour la première fois, qu'un ordinateur quantique pouvait rivaliser avec les techniques classiques les plus avancées pour simuler un modèle physique particulier. Ses résultats peuvent encore être égalés par des techniques avancées exécutées sur des ordinateurs classiques — mais il a surpassé les algorithmes de force brute, et il offre également un nouveau point de référence auquel différentes méthodes de simulation (qui ne sont pas exactes et dont les prévisions ne concordent pas toutes) peuvent être comparées.

Priorité aux processeurs quantiques de plus grande taille

Les utilisateurs ayant déjà utilisé le matériel quantique d' IBM. ont peut-être remarqué que les processeurs de plus petite taille que nous mettions auparavant à la disposition du public ont été retirés, laissant la place à des processeurs plus puissants (comportant plus de 100 qubits). Ces processeurs plus petits pourraient facilement être simulés de manière classique. Ainsi, bien qu'elles aient constitué des étapes accessibles au grand public dans le développement d'une technologie en pleine évolution, elles ne pouvaient en aucun cas démontrer l'utilité quantique : tout ce qu'il était possible de faire avec elles pouvait tout aussi bien être réalisé à l'aide d'une simulation classique.

À partir d'environ 100 qubits, ce n'est toutefois plus le cas. En général, les processeurs quantiques de cette taille ne peuvent plus être simulés de manière classique. Cela marque en quelque sorte un tournant vers une nouvelle ère de la technologie de l'informatique quantique, où il est possible de dépasser les performances de l'informatique classique. C'est précisément sur ce domaine qu' IBM a choisi de se concentrer : rechercher la puissance de calcul quantique et tendre vers l'obtention, à terme, d'un avantage quantique.

Nous encourageons nos utilisateurs à exploiter pleinement le potentiel de ces nouveaux dispositifs, à les expérimenter et à repousser leurs limites, ainsi qu'à appliquer les enseignements tirés à la prochaine génération de processeurs quantiques actuellement en cours de développement. L'objectif de ce cours est de vous permettre de le faire!

Public visé et objectifs du cours

Ce cours s'adresse à tous ceux qui souhaitent développer de nouvelles applications pour les ordinateurs quantiques, étendre leurs travaux actuels dans ce domaine ou apprendre à intégrer des processeurs quantiques dans leur flux de travail. Cela concerne non seulement les physiciens et les informaticiens, mais aussi les ingénieurs, les chimistes, les spécialistes des matériaux et toute autre personne souhaitant se familiariser avec le matériel informatique quantique.

Le cours sera pratique et axé sur l'utilisation concrète des ordinateurs quantiques. Il couvre notamment les sujets et compétences suivants :

Exécution de tâches à grande échelle sur des processeurs quantiques via le service de calcul d' IBM Quantum
Utilisation de techniques d'atténuation des erreurs pour améliorer les résultats matériels
Domaines d'application potentiels des ordinateurs quantiques à court terme

Ce cours ne couvre pas la théorie introductive de l'informatique quantique et suppose une connaissance de base des qubits et des circuits quantiques. Le cours Basics of quantum information sur cette plateforme couvre cette matière et est recommandé en premier lieu pour ceux qui découvrent l'informatique quantique.

L'histoire du calcul

L'informatique quantique est une nouvelle technologie passionnante qui n'en est qu'à ses débuts, mais ce n'est qu'un chapitre d'une histoire qui remonte à des milliers d'années. C'est l'histoire de l' informatique et de ses liens multiples avec le monde physique.

Les appareils informatiques depuis l'Antiquité

Depuis l'Antiquité, l'homme a besoin d' effectuer des calculs - ou, en d'autres termes, de traiter des informations selon certaines règles et contraintes - pour permettre la communication, la construction, le commerce, la science et d'autres aspects de sa vie. Nous nous sommes tournés vers le monde physique pour obtenir de l'aide et, grâce à d'ingénieuses découvertes, nous avons construit des dispositifs pour nous aider à calculer.

Il y a bien longtemps, des appareils fabriqués à partir de bois, d'os et de cordes nouées stockaient des informations et facilitaient les calculs. Les dispositifs mécaniques construits à partir de leviers, d'engrenages et d'autres machines sont passés des premières horloges astronomiques aux calculatrices, puis à des dispositifs informatiques sophistiqués tels que les analyseurs différentiels qui résolvaient des équations à l'aide de roues et de disques rotatifs. Même la technologie de l'écriture a joué un rôle important dans cette histoire en permettant aux gens d' effectuer des calculs qu'ils n'auraient pas pu faire autrement.

Lorsque nous pensons aux ordinateurs aujourd'hui, nous avons tendance à penser aux ordinateurs numériques électroniques. Mais il s'agit en fait d'une technologie assez récente : les premiers ordinateurs numériques électroniques ont été construits sur le site 1940s. (En revanche, le boulier sumérien aurait été inventé entre 2700 et 2300 avant J.-C.) La technologie a progressé de manière spectaculaire depuis lors et les ordinateurs sont aujourd'hui omniprésents. On les trouve dans les maisons, sur les lieux de travail et dans les véhicules qui nous transportent d'un endroit à l'autre, et beaucoup d'entre nous les emportent avec eux partout où ils vont.

Nous disposons également de superordinateurs, qui sont de grandes collections de puissants processeurs classiques connectés en parallèle. Ils comptent parmi les meilleurs outils que l'humanité ait jamais construits pour résoudre des problèmes difficiles, et leur puissance et leur fiabilité ne cessent de progresser. Cependant, il existe d'importants problèmes de calcul que même ces mastodontes ne pourront jamais résoudre, en raison de la difficulté de calcul inhérente à ces problèmes.

Connexions avec le monde physique

Les ordinateurs ont de nombreuses utilisations. L'une des utilisations importantes des ordinateurs est d' apprendre à connaître le monde physique et de mieux comprendre ses modèles. Les utilisations historiques dans cette catégorie ont inclus la prédiction des éclipses et des marées, la compréhension du mouvement des corps astronomiques et (plus récemment) la modélisation des explosions. Aujourd'hui, il n'y a guère de laboratoire de physique dans le monde qui ne soit équipé d'un ordinateur.

Plus généralement, la physique et l'informatique ont toujours été étroitement liées. Le calcul ne peut exister dans le vide : l'information a besoin d'un support et, pour calculer, nous devons exploiter le monde physique d'une manière ou d'une autre. Rolf Launduer, informaticien (et IBMer), a reconnu il y a plusieurs décennies que l'information est physique et qu'elle n'existe qu'à travers une représentation physique. Le principe de Landauer établit un lien entre l'information et les lois de la thermodynamique, mais il existe en fait de nombreux liens.

Comprendre le monde physique est l'objectif de la physique en tant que discipline, mais c'est en fait une voie à double sens. Grâce à notre compréhension du monde physique, nous sommes en mesure d'exploiter de nouvelles technologies pour nous aider à calculer, et grâce à elles, nous continuons à en apprendre davantage sur le monde physique - essentiellement en tirant la physique et la technologie informatique vers le haut.

loi de Moore

La loi de Moore est une observation selon laquelle le nombre maximum de transistors dans un circuit intégré double environ tous les deux ans. Au cours des cinq dernières décennies, nous avons non seulement observé cette tendance, mais nous en avons également récolté les fruits. Avec plus de transistors sur une puce, nous pouvons effectuer des calculs plus complexes et plus rapidement. C'est pourquoi les ordinateurs sont devenus de plus en plus puissants au fil du temps.

Cependant, la "loi" de Moore touche nécessairement à sa fin. Les experts ne s'accordent pas sur la date à laquelle cela se produira, et certains affirment que c'est déjà le cas. Mais nous savons avec certitude qu'elle doit inévitablement prendre fin parce qu'il existe une limite théorique à la miniaturisation des composants informatiques. Nous ne pouvons pas fabriquer un transistor plus petit qu'un atome! Même si cela peut paraître exagéré, c'est le mur dont nous nous rapprochons.

La solution, ce n'est pas de baisser les bras et de se dire : « Bon, on ne peut pas faire mieux que ça. » Cela va à l'encontre de la nature humaine. Nous devons plutôt nous tourner vers le monde physique pour trouver de nouveaux outils informatiques, et c'est là que l'informatique quantique entre en jeu.

informatique quantique

Mécanique quantique et calcul

La mécanique quantique a été découverte au début du 20e siècle et a déjà joué un rôle important dans l'informatique. En effet, notre compréhension de la mécanique quantique a, en partie, rendu possible l'utilisation des ordinateurs modernes. Sans la mécanique quantique, par exemple, il est difficile d'imaginer que le disque dur à semi-conducteurs ait été inventé.

L'informatique quantique en théorie

Lorsque Richard Feynman a proposé pour la première fois la notion d'ordinateur quantique en 1982, il s'est concentré sur la simulation de systèmes mécaniques quantiques. Les calculs requis pour ce faire semblaient trop difficiles pour les ordinateurs ordinaires - mais peut-être qu'avec un ordinateur fonctionnant selon une description du monde basée sur la mécanique quantique, les systèmes pourraient être émulés directement.

Il s'agit aujourd'hui de l'une des voies les plus prometteuses pour l'informatique quantique. Pour autant que nous le sachions, la nature n'est pas classique, elle est quantique. C'est pourquoi les ordinateurs quantiques peuvent être des outils précieux pour la comprendre. Les ordinateurs classiques, quant à eux, ne peuvent que faire des approximations de ce qui se passe réellement dans la nature et, dans certains cas, ces approximations sont très limitées sont très limitées.

On peut illustrer cela par une analogie avec les souffleries. La dynamique des fluides est réputée pour être difficile à simuler et à prédire mathématiquement. Par exemple, il est trop coûteux et peu pratique de simuler une voiture roulant dans le vent; c'est pourquoi les constructeurs automobiles construisent des souffleries et y font rouler des voitures pour tester leurs performances. En d'autres termes, ils génèrent du vent plutôt que de le simuler. Construire un ordinateur quantique pour étudier le monde physique, c'est un peu comme construire une soufflerie pour étudier l'effet du vent sur les voitures. Les ordinateurs quantiques peuvent reproduire directement les lois de la nature au niveau moléculaire, car ils fonctionnent conformément à ces lois, c'est-à-dire qu'ils reproduisent la nature plutôt que de la simuler à l'aide de formules et de calculs.

D'autres ont suivi les idées de Feynman et les ont associées à une théorie de l' information quantique dont le développement était déjà en cours était déjà en cours de développement. Le domaine de l' information et de l'informatique quantiques est né. Depuis, elle est devenue un champ d'étude riche et pluridisciplinaire, et de nombreux avantages de l'information et de l'informatique quantiques par rapport à l'information et à l'informatique classiques ont été identifiés dans une grande variété de contextes théoriques impliquant la communication, l'informatique et la cryptographie.

L'informatique quantique en pratique

Concrètement, deux éléments sont nécessaires pour transformer ces avantages théoriques en avantages réels : les appareils eux-mêmes et les méthodologies permettant de libérer leur potentiel.

Contrairement aux ordinateurs classiques, personne ne possède d'ordinateur quantique dans sa poche arrière. Jusqu'à très récemment, si vous vouliez expérimenter avec un ordinateur quantique, vous deviez en construire un vous-même et l'entretenir (généralement dans un triste laboratoire au sous-sol d'une université ou d'un centre de recherche) (généralement dans un triste laboratoire en sous-sol d'une université ou d'un centre de recherche), et vous ne disposiez que de quelques qubits très bruyants tout au plus. Ce n'est plus le cas aujourd'hui. En 2016, IBM Quantum® a mis le premier processeur quantique sur le cloud. Il ne comportait que 5 qubits et des taux d'erreur assez élevés, mais nous avons beaucoup progressé depuis. Nous résumerons l'état actuel de la technologie dans une section ci-dessous.

Outre la construction d'ordinateurs quantiques, nous devons également développer des méthodologies pour les utiliser efficacement. Si les avancées théoriques dans le domaine des algorithmes et des protocoles quantiques laissent entrevoir un fort potentiel, le défi de trouver des utilisations pratiques pour l'informatique quantique est toujours d'actualité. Les ordinateurs quantiques d'aujourd'hui ne peuvent pas encore effectuer les calculs tolérants aux pannes nécessaires pour transformer les avantages théoriques connus en avantages pratiques. Mais ils sont hors de portée des simulations informatiques classiques, et nous pourrions chercher à tirer parti de ce fait pour la puissance de calcul.

Grâce à ces progrès, nous disposons d'un nouvel outil de calcul, et il nous appartient de déterminer ce que nous pouvons en faire.

Applications potentielles

On ne s'attend pas à ce que l'informatique quantique soit utile pour étudier les performances des voitures dans le vent. Mais il existe d'autres processus physiques, tels que ceux impliqués dans la conception des batteries ou dans certaines réactions chimiques, pour lesquels la capacité d'un ordinateur quantique à émuler la nature pourrait conduire à un avantage quantique. Plus généralement, de nombreux problèmes sont trop difficiles ou trop coûteux, même pour des superordinateurs de pointe, y compris des problèmes très importants pour notre société. L'informatique quantique n'apportera peut-être pas de solutions à tous ces problèmes, mais elle pourrait en apporter à certains d'entre eux.

Les trois domaines d'application suivants représentent des cibles dans le domaine de l'informatique quantique bruyante, avant la mise en œuvre de la correction quantique des erreurs et de la tolérance aux pannes.

Optimisation
Simuler la nature
Recherche de structures dans les données (y compris l'apprentissage automatique)

Nous aborderons ces sujets plus en détail dans la suite du cours.

État de la technologie

La construction d'ordinateurs quantiques est un défi technologique difficile à relever, et cela ne fait que huit ans que de petits ordinateurs quantiques sont accessibles au public. Au cours de ces huit années, nous avons progressé sur de nombreux fronts.

De nombreux processeurs quantiques IBM sont désormais accessibles via le cloud, tous dotés de plus de 100 qubits. Mais ce n'est pas seulement la taille des processeurs qui est importante - ce n'est qu'un indicateur parmi d'autres. La qualité des portes s'est aussi considérablement améliorée et nous avons également introduit des méthodes de réduction et d'atténuation des erreurs intrinsèques aux systèmes quantiques, alors même que nous progressons vers la création de systèmes tolérants aux pannes. Trois mesures de base - l' échelle, la qualité et la vitesse - sont essentielles pour suivre l'amélioration des performances.

Taille. Il va sans dire que plus il y a de qubits, mieux c'est, mais seulement si cette augmentation n'entraîne pas une baisse des performances (ce qui peut arriver). En réalité, nous voulons davantage de qubits de bonne qualité qui n'interfèrent pas les uns avec les autres par diaphonie lorsque nous ne le souhaitons pas. La manière dont les qubits sont reliés entre eux est également importante, et déterminer la meilleure façon de procéder constitue un défi pour les circuits de qubits supraconducteurs.
Qualité. Une autre mesure importante que nous observons, pour suivre l'amélioration des performances au fil du temps, est la fidélité de la porte à 2 qubits. Les portes qui fonctionnent sur des qubits simples ne sont pas aussi sujettes aux erreurs que les portes à 2 qubits, qui sont donc le problème le plus important. (Les portes à 2 qubits sont également cruciales car elles sont responsables de la création de l'intrication entre les qubits, ce qui est supposé être l'un des phénomènes physiques qui confèrent la puissance de l'informatique quantique) l'un des phénomènes physiques à l'origine de la puissance de l'informatique quantique)
Vitesse. La dernière est la vitesse et l'efficacité. En bref, le temps passé à exécuter un programme (y compris les parties quantiques et classiques) doit être le plus court possible classiques) doit être aussi court que possible.

Conclusion

C'est vraiment une période passionnante pour travailler dans le domaine de l'informatique quantique : pour la première fois dans l'histoire, nous pouvons commencer à explorer une région de l'informatique qui se situe au-delà de l'informatique classique.

T.J. Watson a prédit un jour un marché mondial pour quelques ordinateurs seulement. Nous pouvons rire aujourd'hui de la distance qu'il a parcourue, mais nous devons reconnaître que nous avons le bénéfice du recul. Nous devons également reconnaître qu'en tant qu'êtres humains, nous avons généralement tendance à sous-estimer considérablement le potentiel des technologies futures. Maintenant que c'est notre tour et que nous jouons le rôle de pionniers de l'informatique quantique, nous devrions garder cela à l'esprit.

L'informatique quantique est souvent opposée à l'informatique classique, comme si elle s'en distinguait nettement et lui faisait concurrence. Mais si l'on prend un peu de recul, on peut considérer l'informatique quantique comme un simple chapitre de plus dans une longue histoire. C'est dans la nature même de l'être humain de rechercher de nouvelles façons de calculer et d'exploiter la puissance que le monde naturel met à notre disposition pour y parvenir. Nous faisons cela depuis des siècles. L'informatique quantique nous offre un nouvel outil dans cette entreprise, et c'est à nous de découvrir comment tirer parti de la puissance qu'elle met à notre disposition.

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