Le calcul quantique peut être utilisé pour étudier une large gamme de sujets allant de la réactivité des catalyseurs à des optimisations complexes des installations de production. La technologie peut ainsi contribuer au développement de thérapies avancées et efficaces ainsi qu’au développement d’installations de production plus efficaces et plus respectueuses de l’environnement.
Nous tirons parti des avantages des ordinateurs classiques chaque jour. Cependant, il existe de nombreux types de problèmes qui, à mesure qu’ils augmentent en taille, deviennent si complexes sur le plan calculatoire que les ordinateurs classiques ne pourront jamais les résoudre. L’informatique quantique (QC) est un modèle de calcul qui utilise les propriétés matérielles de la mécanique quantique pour résoudre de tels problèmes. La QC en est à un stade précoce d’une entrée massive dans divers domaines de l’industrie, où les augmentations de vitesse algorithmique que la technologie peut offrir peuvent être exploitées. La QC peut être utilisée dans divers domaines tels que l’informatique, les mathématiques, l’ingénierie chimique et biochimique, ainsi que dans l’industrie financière.
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Plan de l'article
Le développement des premiers ordinateurs quantiques et « avantage quantique »
Les ordinateurs quantiques ont commencé à gagner du terrain en 1982, lorsque le physicien Richard Feynman a donné une conférence où il a expliqué que les ordinateurs classiques ne pouvaient pas traiter les calculs décrivant les phénomènes quantiques, et qu’il était donc nécessaire d’utiliser une méthode QC pour éliminer les goulets d’étranglement. Au milieu des années 1990, Peter Shor a développé son algorithme révolutionnaire, qui a prouvé qu’un ordinateur quantique peut calculer les facteurs premiers de grands nombres exponentiellement plus rapidement que les ordinateurs classiques, illustrant ainsi la puissance de cette nouvelle technologie. Aujourd’hui, un nombre croissant d’entreprises, de startups et de laboratoires de recherche universitaires dépendent de la QC pour accélérer le développement de nouvelles technologies. Il est prévu que le marché de la QC croisse rapidement au cours des 10 prochaines années, en particulier grâce aux possibilités d’application de la QC dans les domaines de la pharmacie, de la chimie et de la biologie.
Certains des problèmes que les ingénieurs de ces industries doivent résoudre nécessitent une capacité de calcul/traitement de données extrêmement élevée en raison de la complexité et de la taille des problèmes, et ne peuvent donc pas être résolus avec la technologie informatique classique. Le terme « avantage quantique » est utilisé pour décrire comment les ordinateurs quantiques peuvent être utilisés pour résoudre des problèmes qu’il serait impossible de résoudre avec des méthodes de traitement/calcul classiques. Les ordinateurs quantiques utilisent les probabilités et l’intrication de manière unique, ce qui en fait un outil potentiellement très utile pour résoudre de nombreux problèmes d’optimisation rencontrés dans les sciences naturelles et l’ingénierie.
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Les ordinateurs quantiques stockent l’information dans des qubits, c’est-à-dire des bits quantiques. Contrairement aux bits classiques, qui existent soit comme 0 soit comme 1, les qubits existent en superpositions de 0 et 1 et utilisent l’intrication et l’interférence entre une série de qubits pour résoudre un calcul avec un grand nombre de résultats possibles. Une fois l’avantage quantique atteint, on estime qu’un ordinateur quantique avec seulement quelques centaines de qubits pourra effectuer plus de calculs simultanément qu’il n’y a d’atomes dans l’univers connu. La technologie QC s’est avérée avoir un potentiel particulièrement élevé pour résoudre des problèmes impliquant la chimie, l’intelligence artificielle, l’optimisation, la simulation, les relations complexes entre des éléments interconnectés ainsi que des problèmes avec de grands ensembles de données qui dépassent les limites de mise à l’échelle des ordinateurs classiques.
Contribution à la durabilité et à l’optimisation dans le traitement du cancer
L’outil QC a également plusieurs applications pertinentes dans les domaines de l’ingénierie environnementale et biomédicale. Étant donné que le QC peut être utilisé pour examiner la réactivité des catalyseurs, les informations provenant des calculs QC peuvent aider les ingénieurs à remplacer les catalyseurs des processus de fabrication actuels par des catalyseurs ayant un impact environnemental moindre. Par exemple, les catalyseurs chimiques utilisés dans la production d’engrais représentent actuellement deux pour cent des émissions mondiales de dioxyde de carbone et peuvent potentiellement être remplacés si nous disposons des outils nécessaires pour examiner des alternatives.
De plus, le QC peut aider les ingénieurs à découvrir des catalyseurs moins coûteux et plus efficaces pour la capture du carbone que ceux actuellement utilisés, ce qui peut contribuer à accélérer l’adaptation à la technologie. Les ingénieurs biomédicaux ont démontré que le QC peut avoir diverses applications dans le secteur de la santé, comme par exemple le développement de méthodes améliorées de traitement du cancer. Les ordinateurs peuvent, par exemple, analyser des milliers de variables pour développer des plans de radiothérapie ciblant les cellules cancéreuses avec la dose et la cible idéales sans endommager les cellules saines. Le QC a également été utilisé pour comprendre les images diagnostiques à l’aide d’outils d’apprentissage automatique.
Dans le développement de médicaments, les outils QC peuvent réduire le temps et améliorer les résultats de la recherche de médicaments « in silico ». La technologie QC est déjà en train d’être reconnue par un certain nombre d’entreprises de premier plan. Google a construit un ordinateur quantique capable de simuler une réaction chimique simple. ExxonMobil développe des technologies QC pour optimiser les réseaux électriques, modéliser l’environnement de manière plus prévisible et créer de nouveaux matériaux pour la capture du carbone. Les entreprises chimiques japonaises JSR et Mitsubishi Chemical ont rejoint l’IBM Q Hub à l’Université de Keio pour accéder à des ordinateurs quantiques de 20 et 50 qubits, capables d’examiner des solutions uniques pour les entreprises. Un soutien accru du capital-investissement et du capital-risque a conduit à la création de plusieurs start-ups spécialisées dans l’utilisation de la technologie QC à diverses fins.
Futur
Le potentiel des QC se réalise déjà dans de nombreux domaines différents, bien qu’il s’agisse d’une nouvelle technologie en phase de développement précoce, nécessitant beaucoup plus de développement en termes de capacité matérielle, d’adaptation des stratégies de solution pour exploiter les possibilités d’application et de résolution réelle des problèmes concrets. Dans ce contexte, la connexion entre la conception de produits chimiques et biomoléculaires et les QC a été discutée. La conception de produits chimiques et biomoléculaires a largement bénéficié des méthodes et outils assistés par ordinateur à l’aide d’ordinateurs classiques.
Cependant, dans le cadre du développement de produits pour des processus plus durables, comme par exemple le développement de solvants verts, la conception de processus plus efficaces, la conception intégrée de processus-produits ainsi que le développement de nouveaux médicaments ou vaccins pour une future pandémie, de nouveaux outils de calcul comme les QC peuvent être avantageux. De même, les QC semblent également pouvoir être utilisés dans la conception, le contrôle et la surveillance des processus.