10 implications incroyables de la technologie Quantum

Le consensus au sein de la communauté scientifique est que le premier ordinateur quantique pleinement fonctionnel sera prêt dans environ dix ans - un événement si important que de nombreux experts réclament un compte à rebours pour le Y2Q: «années avant quantiques».

La plupart des gens au moins un peu familiers avec les idées de base de la mécanique quantique identifient le domaine avec une «étrangeté» générale que même les physiciens quantiques les plus aguerris trouvent déroutant. L'esprit boggle avec des visions de gens traversant les murs, un voyage dans le temps et une incertitude générale qui menace de déraciner nos perceptions les plus enracinées de la vérité et de la réalité. Les mesures standard n'ont plus de sens.

Compte tenu de l'énorme potentiel potentiel de la technologie quantique, il va sans dire que ceux qui en posséderont l'avenir disposeront d'un avantage majeur sur ceux qui ne le sont pas - dans les domaines de la politique, de la finance, de la sécurité, etc. Des sociétés telles qu'Amazon, Microsoft et Intel envisagent avec impatience de mettre en œuvre une «cryptographie sécurisée», car elles (sans parler des gouvernements nationaux) craignent que les pirates informatiques utilisant l'énergie quantique ne sonnent comme une faillite.

Et comme nous pouvons dire avec beaucoup de certitude que l'informatique quantique sera bientôt là pour rester, il est important de comprendre ce que cela signifie exactement pour l'avenir et quelles incroyables possibilités nouvelles (et parfois effrayantes) apporteront la technologie quantique.

Voici dix implications incroyables de la technologie quantique.

10Une augmentation exponentielle de la vitesse de calcul

Tout d’abord, une très brève introduction: l’ordinateur sur lequel vous lisez ceci fonctionne sur la même technologie fondamentale que pratiquement tous les ordinateurs du monde utilisent actuellement. C'est un monde fini, binaire, dans lequel les données sont codées en bits, communément appelés 0 ou 1, qui ne peuvent exister que dans l'un des deux états finis (activé ou désactivé). Le calcul quantique, en revanche, utilise des «qubits», qui peuvent exister simultanément dans un nombre pratiquement illimité d'états. (En général, n les qubits peuvent exister en 2 ^n différents états simultanément.)

Si un ordinateur «normal» reçoit une séquence de trente 0 et un, il y a environ un milliard de valeurs possibles pour cette séquence - et un ordinateur utilisant des bits ordinaires devrait passer individuellement chaque combinaison, ce qui nécessiterait beaucoup de temps et de mémoire. . D'autre part, un ordinateur quantique serait capable de "voir" les 1 milliard de séquences simultanément, ce qui réduirait considérablement le temps et les efforts de calcul.

En fait, les ordinateurs quantiques seront capables de réaliser en quelques secondes des calculs qui prendraient les meilleurs supercalculateurs actuels des milliers d'années.

9Découvrir de nouveaux médicaments plus efficaces

Le séquençage de l'ADN est dû en partie à une forte augmentation de la puissance de calcul, comme prédit par la loi de Moore. Nous sommes sur le point d'entrer dans une nouvelle ère de soins de santé grâce à l'informatique quantique.

Bien qu'il existe sur le marché un nombre impressionnant de médicaments impressionnants, leur vitesse de production, ainsi que leur efficacité dans le traitement de maladies spécifiques, sont étonnamment limitées. Même avec les récentes augmentations de vitesse et de précision, ces gains sont purement incrémentiels en raison des limitations des ordinateurs standard.

Avec un organisme aussi complexe que le corps humain, un médicament peut réagir à son environnement de multiples façons. Ajoutez à cela le caractère illimité de la diversité génétique au niveau moléculaire et les résultats potentiels pour les traitements médicamenteux non spécifiques atteignent des milliards.

Seuls les ordinateurs quantiques auront la capacité d’examiner tous les scénarios possibles concernant les interactions médicamenteuses et de présenter non seulement le meilleur plan d’action possible, mais également les chances de succès d’une personne avec un médicament donné, grâce à une combinaison de séquençage de compréhension rigoureuse du repliement des protéines.

Ces mêmes innovations, notamment en ce qui concerne le repliement des protéines, permettront inévitablement de mieux comprendre le fonctionnement de la vie en général, ce qui conduira par la suite à des traitements beaucoup plus précis, de meilleurs médicaments et de meilleurs résultats.

8Sécurité sans limite

En plus de faciliter de grands progrès en médecine, la technologie quantique offre également la possibilité de barrières de cybersécurité pratiquement incassables et de communications à grande distance et hautement sécurisées.

Dans le monde de l'étrangeté quantique, il existe un phénomène appelé «enchevêtrement quantique», dans lequel deux particules ou plus sont mystérieusement connectées, quel que soit le support qui existe entre elles et sans aucune signalisation identifiable. C’est ce que Einstein a appelé «une action fantasmagorique à distance». Et comme il n’existe aucun moyen tangible par lequel ces deux particules communiquent, les signaux codés à l’aide de particules enchevêtrées seraient impossibles à intercepter. La science nécessaire à cette technologie est encore sous-développée; Cependant, une telle communication aurait un impact énorme sur la sécurité privée et nationale.

Une vitesse de calcul considérablement accrue favoriserait également la cybersécurité, car la puissance de traitement exponentielle des ordinateurs quantiques leur permettrait de résister aux méthodes de piratage les plus sophistiquées, grâce au cryptage quantique. «L'informatique quantique sera certainement appliquée partout où nous utilisons l'apprentissage automatique, l'informatique en nuage et l'analyse de données», déclare Kevin Curran, chercheur en cybersécurité à l'Université d'Ulster.«Dans le domaine de la sécurité, cela signifie une détection d'intrusion, la recherche de modèles dans les données et de formes plus sophistiquées d'informatique parallèle.» Les ordinateurs Quantum seraient essentiellement en mesure d'anticiper les «mouvements» d'un ordinateur de piratage informatique par des millions, voire des milliards d'étapes. devant.

7Hacking sans limites

Bien sûr, une grande puissance implique de grandes responsabilités, et la même puissance quantique qui permettra au cryptage d'atteindre de nouveaux sommets pourrait potentiellement permettre aux pirates de dévoiler sans effort les mesures de sécurité les plus élaborées mises en place par des machines relativement primitives.

Les techniques cryptographiques les plus élaborées d’aujourd’hui ont tendance à reposer sur des problèmes mathématiques extraordinairement difficiles. Et, bien que ces problèmes suffisent à dissuader la plupart des superordinateurs binaires, ils pourraient être facilement résolus par un ordinateur quantique. La capacité d'un ordinateur quantique à trouver des modèles dans d'énormes jeux de données avec une vitesse incroyable leur permettra de factoriser des nombres importants (une prouesse qui reste peut-être la plus grande barrière pour les pirates informatiques), ce que ne peuvent faire les ordinateurs modernes en essayant option après option. ”Avec les qubits et la superposition quantique, toutes les options possibles pourraient être testées simultanément.

En effet, il a fallu environ deux ans et des centaines d’ordinateurs travaillant simultanément pour déverrouiller une seule instance de l’algorithme RSA-768 (qui a deux facteurs premiers et nécessite une clé longue de sept cent soixante-huit bits). Un ordinateur quantique pourrait effectuer la même tâche en une fraction de seconde.

6Horloges atomiques à réglage fin et détection d'objets

Les horloges atomiques ne sont pas simplement utilisées pour faciliter le chronométrage quotidien. Ils constituent des composants essentiels de la plupart des technologies actuelles, notamment des systèmes GPS et des technologies de communication.

On ne pense généralement pas que les horloges atomiques nécessitent un réglage plus précis. Les horloges atomiques les plus précises fonctionnent en utilisant les oscillations des micro-ondes émises par les électrons lorsqu'ils modifient les niveaux d'énergie. Et les atomes utilisés dans les horloges sont presque totalement refroidis à zéro, ce qui permet des durées de sonde plus longues et plus de précision.

Les nouvelles horloges atomiques utilisant la technologie quantique moderne seront toutefois si précises qu'elles pourront être utilisées comme détecteurs d'objets ultra-précis détectant des changements minuscules de gravité, de champs magnétiques, de champs électriques, de force, de mouvement, de température et autres. qui fluctuent naturellement en présence de matière. Ces changements seraient alors reflétés par des changements dans le temps. (Rappelez-vous que l'espace, la matière et le temps sont inextricablement liés.)

Cette détection précise facilitera l’identification et le retrait d’objets souterrains, le suivi des sous-marins bien au-dessous de la surface de l’océan, et rendrait même la navigation et la conduite automatique beaucoup plus précises, car les logiciels permettraient de mieux distinguer les voitures des autres. objets.

Comme le dit David Delpy, président du conseil consultatif scientifique sur la défense du ministère britannique de la défense, «vous ne pouvez pas protéger la gravité».

5Marchés financiers

Dans le monde financier interconnecté, la rapidité est de la plus haute importance. Et un nombre étonnamment grand de problèmes rencontrés par le secteur financier (beaucoup d'entre eux résultant d'un manque de vitesse de calcul) restent insolubles. Même le plus puissant des ordinateurs «ordinaires» utilisant des 0 et des 1 est incapable de prévoir de manière approximative les événements financiers et économiques futurs et de résoudre des problèmes très complexes liés à la tarification des options dans un marché en évolution rapide.

Par exemple, de nombreuses options d’achat d’actions exigent des dérivés complexes qui dépendent du chemin d’accès, ce qui signifie que le paiement de l’option est déterminé en dernier ressort par l’évolution du prix de l’actif sous-jacent. Tenter de cartographier et d’anticiper tous les «chemins» possibles d’une option est une tâche beaucoup trop lourde pour les machines d’aujourd’hui. Toutefois, compte tenu de leur rapidité et de leur agilité, les ordinateurs quantiques seraient théoriquement en mesure d'identifier une option sur actions à un prix incorrect et de l'exploiter au profit de son propriétaire avant que le marché ne se soit vraiment modifié.

Bien entendu, ce type de pouvoir pourrait faire des ravages sur le marché et favoriser fortement la minorité d’entreprises possédant et exploitant des supercalculateurs, au détriment des commerçants individuels et des entreprises incapables d’acquérir une telle technologie.

4Cartographie de l'esprit humain

Malgré tous les progrès étonnants qui ont eu lieu dans les domaines des neurosciences et de la cognition au cours des dernières décennies, les scientifiques en savent encore très peu sur le fonctionnement de l'esprit. Cependant, nous savons que le cerveau humain est l’une des entités les plus complexes de l’univers connu et que, pour vraiment comprendre tout ce qu’il peut offrir, il faudra un nouveau type de calcul.

Le cerveau humain est composé d'environ 86 milliards de neurones-cellules qui communiquent de petites informations en tirant des charges électriques rapides. Et, bien que l’on comprenne assez bien le fondement électrique du cerveau humain, l’esprit reste un mystère. Selon le neurobiologiste Rafael Yuste de l'Université de Columbia, le défi consiste précisément à passer d'un substrat physique de cellules connectées à l'intérieur de cet organe à notre monde mental, nos pensées, nos souvenirs, nos sentiments. "

Et pour tenter de comprendre l'esprit, les neuroscientifiques se sont largement appuyés sur l'analogie d'un ordinateur, car le cerveau transforme les données et les entrées sensorielles en sorties relativement prévisibles. Et quel meilleur moyen de comprendre le fonctionnement d'un ordinateur qu'avec un ordinateur?

Pour le Dr Ken Hayworth, neuroscientifique cartographiant des fragments de cerveau de souris, «il nous faudra environ un à deux ans pour imager un cerveau de mouche.L'idée de cartographier tout un cerveau humain avec la technologie existante que nous avons aujourd'hui est tout simplement impossible »sans la puissance de l'informatique quantique.

3Découverte de planètes lointaines

Il n’est donc pas surprenant que l’informatique quantique soit extrêmement utile pour l’exploration de l’espace, qui nécessite souvent l’analyse d’énormes jeux de données. En utilisant des processeurs quantiques refroidis à 20 millikelvins (proche du zéro absolu), les ingénieurs de la NASA prévoient d’utiliser l’informatique quantique pour résoudre des problèmes d’optimisation extrêmement complexes impliquant des milliards de données.

Par exemple, les scientifiques de la NASA seront en mesure de tirer parti des infimes fluctuations des ondes quantiques pour détecter des différences de chaleur infimes et distantes émises par des démarrages autrement invisibles, voire des trous noirs.

La NASA utilise déjà les principes généraux de l'informatique quantique pour mettre au point des méthodes de déplacement dans l'espace plus sûres et plus efficaces, notamment lorsqu'il s'agit d'envoyer des robots dans l'espace. La NASA a tendance à planifier ses missions robotiques dans l'espace environ dix ans à l'avance. L'objectif est d'utiliser l'optimisation quantique pour créer une prévision extrêmement précise de ce qui se passera au cours de la mission, afin d'anticiper tous les résultats possibles et de créer ensuite des plans d'urgence. chacun (encore, en utilisant des stratégies d'optimisation).

Une planification plus minutieuse et plus précise des missions de robot conduira également à une utilisation plus efficace de la batterie, qui est l’un des principaux facteurs limitants en ce qui concerne les missions spatiales robotiques.

2Génétique

L'achèvement du projet du génome humain en 2003 a marqué le début d'une nouvelle ère en médecine. Grâce à une compréhension approfondie du génome humain, nous pouvons adapter des traitements complexes spécifiquement aux besoins spécifiques de chaque individu.

Malgré tout ce que nous savons sur les subtilités de l’ADN humain, nous en savons encore très peu sur les protéines codées par l’ADN.

Entrez le calcul quantique, qui nous permettra théoriquement de «cartographier les protéines» de la même manière que nous cartographions les gènes. En fait, l'informatique quantique nous permettra également de modéliser des interactions moléculaires complexes au niveau atomique, ce qui sera inestimable lorsqu'il s'agira d'initier de nouvelles recherches médicales et pharmaceutiques. Nous serons en mesure de modéliser plus de 20 000 protéines et de simuler leurs interactions avec une multitude de médicaments différents (même des médicaments n'ayant pas encore été inventés) avec une précision extrême. L'analyse de ces interactions (à nouveau assistée par l'informatique quantique et des algorithmes d'optimisation avancés) nous mènera probablement à de nouveaux traitements pour les maladies actuellement incurables.

La vitesse de l’informatique quantique facilitera également l’utilisation et l’analyse de nanocristaux semi-conducteurs minuscules de type «points quantiques», d’une longueur de quelques nanomètres seulement, qui sont actuellement utilisés à la pointe de la détection et du traitement du cancer.

De plus, les ordinateurs quantiques pourraient être en mesure de déterminer si des mutations de l'ADN, que l'on croit actuellement complètement aléatoires, se produisent réellement en raison de fluctuations quantiques.

1 Science et génie des matériaux

Il va sans dire que l'informatique quantique a d'énormes implications pour les domaines de la science des matériaux et de l'ingénierie, car la puissance du calcul quantique convient mieux à de nouvelles découvertes au niveau atomique.

La puissance de l'informatique quantique permettra d'utiliser des modèles de plus en plus sophistiqués pour cartographier la façon dont les molécules s'assemblent et se cristallisent pour former de nouveaux matériaux. De telles découvertes conduisant à la création de nouveaux matériaux conduiraient ensuite à la création de nouvelles structures, ayant des implications dans les domaines de l'énergie, de la lutte contre la pollution et des produits pharmaceutiques.

«Lorsqu'un ingénieur construit un barrage ou un avion, la structure est d'abord conçue à l'aide d'ordinateurs. C'est extrêmement difficile à l'échelle de la taille des molécules ou des atomes, qui s'assemblent souvent de manière non intuitive », explique Graeme Day, professeur de modélisation chimique à l'université de Southampton. «Il est difficile de concevoir à partir de zéro à l'échelle atomique et le taux d'échec lors de la découverte de nouveaux matériaux est élevé. En tant que chimistes et physiciens essayant de découvrir de nouveaux matériaux, nous nous sentons souvent comme des explorateurs sans cartes fiables. ”

Le calcul quantique fournira une "carte fiable" beaucoup plus fiable en permettant aux scientifiques de simuler et d'analyser les interactions atomiques avec une précision incroyable, ce qui conduirait à la création de matériaux entièrement nouveaux et plus efficaces - sans les essais et erreurs inévitables tenter de construire de nouveaux matériaux à plus grande échelle. Cela signifie que nous pourrons trouver et créer de meilleurs supraconducteurs, des aimants plus puissants, de meilleures sources d'énergie et bien plus encore.