Les ordinateurs quantiques devraient perturber et potentiellement un impact sur de nombreux secteurs industriels.Les chercheurs du Royaume-Uni et des Pays-Bas ont donc décidé d'explorer deux problèmes quantiques très différents: la rupture du chiffrement du bitcoin (une monnaie numérique) et la simulation de la molécule responsable de la fixation de l'azote biologique.
In AVS Quantum Science, from AIP Publishing, the researchers describe a tool they created to determine how big a quantum computer needs to be to solve problems like these and how long it will take.
«La majorité des travaux existants dans ce domaine se concentrent sur une plate-forme matérielle particulière, des appareils supraconducteurs, comme ceux qui travaillent par IBM et Google», a déclaré Mark Webber, de l'Université de Sussex.«Différentes plates-formes matérielles varieront considérablement sur les spécifications matérielles clés, telles que le taux d'opérations et la qualité de contrôle sur les Qubits (bits quantiques)."
Bon nombre des cas d'utilisation des avantages quantiques les plus prometteurs nécessiteront un ordinateur quantique corrigé d'erreur.La correction des erreurs permet d'exécuter des algorithmes plus longs en compensant les erreurs inhérentes à l'intérieur de l'ordinateur quantique, mais cela se fait au prix de plus de qubits physiques.
Tirer de l'azote de l'air pour fabriquer de l'ammoniac pour les engrais est extrêmement à forte intensité d'énergie, et des améliorations du processus pourraient avoir un impact sur la pénurie mondiale des aliments et la crise climatique.La simulation des molécules pertinentes dépasse actuellement les capacités des superordinateurs les plus rapides du monde, mais devrait être à la portée des ordinateurs quantiques de nouvelle génération.
Plan d'ordinateur quantique avec des ions piégés.Crédit: Ion Quantum Technology Group, Université de Sussex
“Our tool automates the calculation of the error-correction overhead as a function of key hardware specifications," Webber said.«Pour que l'algorithme quantique fonctionne plus rapidement, nous pouvons effectuer plus d'opérations en parallèle en ajoutant plus de qubits physiques.Nous introduisons des qubits supplémentaires au besoin pour atteindre le temps d'exécution souhaité, qui dépend de manière critique du taux d'opérations au niveau du matériel physique."
La plupart des plates-formes matérielles informatiques quantiques sont limitées, car seuls les qubits les uns côtes peuvent interagir directement.Dans d'autres plates-formes, telles que certaines conceptions d'ions piégées, les qubits ne sont pas en position fixe et peuvent plutôt être déplacés physiquement - ce qui signifie que chaque qubit peut interagir directement avec un large ensemble d'autres qubits.
“We explored how to best take advantage of this ability to connect distant qubits, with the aim of solving problems in less time with fewer qubits," said Webber.«Nous devons continuer à adapter les stratégies de correction des erreurs pour exploiter les forces du matériel sous-jacent, ce qui pourrait nous permettre de résoudre des problèmes très percutants avec un ordinateur quantique de plus petite taille que ce qui avait été supposé auparavant."
Les ordinateurs quantiques sont exponentiellement plus puissants pour briser de nombreuses techniques de chiffrement que les ordinateurs classiques.Le monde utilise le cryptage RSA pour la plupart de sa communication sécurisée.Le cryptage RSA et le seul bitcoin utilise (algorithme de signature numérique de courbe elliptique) sera un jour vulnérable à une attaque informatique quantique, mais aujourd'hui, même le plus grand supercalculateur ne pourrait jamais constituer une menace sérieuse.
Les chercheurs ont estimé la taille d'un ordinateur quantique pour briser le chiffrement du réseau Bitcoin dans la petite fenêtre de temps, il constituerait en fait une menace pour le faire - entre son annonce et son intégration dans la blockchain.Plus les frais payés sur la transaction sont élevés, plus cette fenêtre sera courte, mais elle va probablement de minutes à heures.
“State-of-the-art quantum computers today only have 50-100 qubits," said Webber.«Notre exigence estimée de 30 [millions] à 300 millions de qubits physiques suggère que le bitcoin devrait être considéré comme à l'abri d'une attaque quantique pour l'instant, mais les appareils de cette taille sont généralement considérés comme réalisables, et les avancées futures peuvent réduire les exigences.
«Le réseau Bitcoin pourrait effectuer une« frappe dure »sur une technique de chiffrement quantique-sécurisation, mais cela peut entraîner des problèmes de mise à l'échelle du réseau en raison d'une augmentation des besoins en mémoire."
Les chercheurs soulignent le taux d'amélioration des algorithmes quantiques et des protocoles de correction des erreurs.
“Four years ago, we estimated a trapped ion device would need a billion physical qubits to break RSA encryption, requiring a device with an area of 100-by-100 square meters," said Webber.«Maintenant, avec des améliorations à tous les niveaux, cela pourrait voir une réduction spectaculaire à une zone de seulement 2.5 par 2.5 mètres carrés."
Un ordinateur quantique corrigé d'erreur à grande échelle devrait être en mesure de résoudre des problèmes importants.
“Simulating molecules has applications for energy efficiency, batteries, improved catalysts, new materials, and the development of new medicines," said Webber.«D'autres applications existent dans tous les domaines - y compris pour la finance, l'analyse des mégadonnées, le flux de fluide pour les conceptions d'avion et les optimisations logistiques."
Reference: “The impact of hardware specifications on reaching quantum advantage in the fault tolerant regime" by Mark Webber, Vincent Elfving, Sebastian Weidt and Winfried K. Hensinger, 25 January 2022, AVS Quantum Science.
DOI: 10.1116/5.0073075
