Calcul
L'informatique quantique est actuellement le domaine le plus dynamique, portant les hausses les plus marquées tant en termes de création d'entreprises que d'activités en matière de brevet. En informatique quantique, les qubits (l'équivalent quantique des bits binaires classiques 0/1) utilisent la superposition d’états quantiques pour représenter et traiter simultanément de grandes quantités d'informations. Cette immense puissance de calcul pourrait permettre de résoudre des questions et des modèles complexes, comme par exemple la simulation d'interactions moléculaires afin de développer et de prédire le fonctionnement de nouveaux médicaments à partir d'un nombre infini de combinaisons chimiques.
Modèles
Les ordinateurs classiques simulent des systèmes complexes en les décomposant en composants gérables et en exécutant des calculs parallèles massifs. Les problèmes quantiques, en particulier ceux qui impliquent et nécessitent des ressources informatiques qui croissent de manière exponentielle avec la taille du système, sont insolubles, même pour les clusters de calcul haute performance actuels. Les modèles quantiques tentent de fournir des cadres conceptuels pour le traitement de l'information quantique, notamment des modèles basés sur des portes quantiques logiques, sur l'évolution adiabatique, sur le calcul quantique par mesure, ainsi que des modèles de simulateurs quantiques.
Simulation
La modélisation quantique directe évite la mise à l'échelle exponentielle des simulations classiques telles qu'elles sont actuellement utilisées, par exemple, dans les prévisions météorologiques. La simulation de matériaux fortement corrélés, de molécules complexes, de la photosynthèse, de la supraconductivité et des transitions de phase quantiques sont généralement des domaines dans lesquels la simulation quantique devrait exceller. L'utilisation de modèles quantiques pour simuler des processus physiques, chimiques ou matériels complexes fait l'objet d'une activité intense en matière de brevets.
Modèles sans simulation
Les brevets de cette requête couvrent des modèles de calcul innovants et non basés sur la simulation qui apportent des solutions dans des domaines tels que la finance, la science des matériaux, la découverte de médicaments et l'apprentissage automatique, où ils permettent de résoudre des problèmes complexes d'optimisation et d'apprentissage automatique.
Réalisation physique
Ces demandes de brevet portent principalement sur des composants matériels et des plateformes pour la fabrication d'ordinateurs quantiques, notamment des circuits supraconducteurs, les ions piégés, le spin des électrons et la photonique. Ces systèmes sont manipulés et contrôlés pour effectuer des calculs qui exploitent des principes quantiques comme la superposition et l'intrication.
Supraconductivité
Les circuits basés sur des matériaux supraconducteurs constituent actuellement l'une des plateformes les plus avancées pour une commercialisation. Les circuits supraconducteurs sont utilisés pour créer des qubits par le refroidissement de matériaux tels que les alliages de niobium à des températures extrêmement basses afin d'obtenir la supraconductivité. Cet état permet aux circuits d'agir comme des "atomes artificiels" avec une résistance proche de zéro, ce qui permet la formation d'états quantiques pouvant être manipulés par des impulsions micro-ondes. La résistance nulle permet d'obtenir des temps de cohérence longs pour les qubits et d'optimiser les niveaux d'énergie et les couplages des qubits. Or, cela nécessite un environnement cryogénique complexe qui ne peut actuellement être obtenu qu'en laboratoire.
Ions ou atomes piégés
Les ions ou atomes piégés constituent une technologie de pointe pour les ordinateurs quantiques, utilisant comme qubits des atomes chargés ou neutres suspendus dans un champ électromagnétique. Ces ions individuels sont maintenus sous vide pour limiter les interférences de l'environnement, et leurs états quantiques sont manipulés et lus à l'aide de faisceaux laser contrôlés avec précision pour effectuer des calculs. Cette isolation permet d'obtenir des temps de cohérence longs et une grande précision, ce qui est essentiel pour des calculs quantiques précis.
Calcul quantique basé sur le spin
Le calcul quantique basé sur le spin utilise le spin intrinsèque des particules quantiques, comme les électrons ou les noyaux atomiques, pour servir de qubits. Ces qubits de spin sont manipulés au moyen de champs électromagnétiques pour effectuer des calculs, les états de spin "haut" ou "bas" représentant plus qu'un seul état 0 et 1 d'un bit classique, et les deux étant disponibles simultanément dans un état quantique de superposition. Le calcul quantique basé sur le spin exploite les spins d'électrons ou nucléaires, souvent dans des systèmes à l'état solide comme des semi-conducteurs ou des défauts de diamant.
Optique quantique
Ces schémas de calcul reposent sur la manipulation des photons en tant que qubits. L'optique quantique utilise la nature quantique de la lumière et l'interaction des photons avec la matière pour construire et faire fonctionner des ordinateurs quantiques. Elle fournit des méthodes pour générer, manipuler et mesurer des qubits, souvent en codant les informations quantiques dans des propriétés telles que la polarisation (ou le spin) d'un photon. Cette approche utilise des composants tels que des séparateurs de faisceaux et des détecteurs de photons uniques pour réaliser des calculs à l'aide de techniques comme le calcul quantique optique linéaire (LOQC) ou le calcul quantique basé sur la mesure (MBQC).
Algorithmes
Les algorithmes spécifiques à l’informatique quantique sont conçus pour tirer parti de l'accélération quantique et comprennent des applications d'optimisation et de cryptographie. Les algorithmes d'optimisation recherchent la meilleure solution parmi un ensemble de possibilités, une tâche qui devient extrêmement complexe pour les ordinateurs classiques à mesure que le nombre de variables augmente et que les possibilités se multiplient de manière exponentielle. Les algorithmes d'optimisation quantique utilisent des propriétés quantiques pour explorer simultanément de nombreuses solutions.
Correction des erreurs
La correction des erreurs est nécessaire pour stabiliser les états quantiques sensibles au bruit et à la décohérence. Ces erreurs s'accumulent rapidement, ce qui rend les calculs quantiques peu fiables en l'absence correction. La correction d'erreur quantique (QEC) est nécessaire au calcul quantique évolutif, car elle permet de réaliser des calculs complexes et longs. Elle est également essentielle pour atteindre la tolérance aux défauts, grâce à laquelle un système peut continuer à fonctionner malgré les erreurs. Sans correction des erreurs, les ordinateurs quantiques ne seraient que des circuits peu profonds, ce qui annihilerait leur potentiel à résoudre des problèmes complexes.
Programmation
La programmation d'ordinateurs quantiques nécessite de nouvelles compétences, de nouveaux outils et de nouvelles approches pour résoudre des problèmes qui sont insolubles pour les ordinateurs classiques. Les principaux développements s'articulent autour d'une compréhension approfondie de la manière dont les phénomènes quantiques peuvent être utilisés au maximum de leurs possibilités pour des tâches spécifiques. Des techniques de programmation hybrides spécialisées et de nouveaux outils logiciels pour contrôler et déboguer des programmes sur du matériel bruyant et de taille intermédiaire sont en cours de développement (p. ex. Silq, Qiskit, CIRQ, Q#, FOREST, etc.).