Les ordinateurs quantiques sont appelés à bouleverser et à avoir un impact potentiel sur de nombreux secteurs industriels. Des chercheurs du Royaume-Uni et des Pays-Bas ont donc décidé d’explorer deux problèmes quantiques très différents : casser le cryptage du Bitcoin (une monnaie numérique) et simuler la molécule responsable de la fixation biologique de l’azote.
Sur AVS Quantum Sciencede l’AIP Publishing, les chercheurs décrivent un outil qu’ils ont créé pour déterminer la taille nécessaire d’un ordinateur quantique pour résoudre des problèmes de ce type et le temps que cela prendra.
“La majorité des travaux existants dans ce domaine se concentrent sur une plate-forme matérielle particulière, les dispositifs supraconducteurs, comme ceux sur lesquels travaillent IBM et Google”, a déclaré Mark Webber, de l’Université du Sussex. “Les différentes plates-formes matérielles varieront grandement sur les spécifications matérielles clés, telles que le taux d’opérations et la qualité du contrôle sur les qubits (bits quantiques).”
Bon nombre des cas d’utilisation les plus prometteurs de l’avantage quantique nécessiteront un ordinateur quantique à correction d’erreurs. La correction d’erreurs permet d’exécuter des algorithmes plus longs en compensant les erreurs inhérentes à l’intérieur de l’ordinateur quantique, mais elle a pour prix un plus grand nombre de qubits physiques.
L’extraction de l’azote de l’air pour fabriquer de l’ammoniac pour les engrais est extrêmement énergivore, et des améliorations du processus pourraient avoir un impact sur la pénurie alimentaire mondiale et la crise climatique. La simulation des molécules concernées dépasse actuellement les capacités des superordinateurs les plus rapides du monde, mais devrait être à la portée des ordinateurs quantiques de la prochaine génération.
Schéma d’un ordinateur quantique avec des ions piégés. Crédit : Ion Quantum Technology Group, Université du Sussex.
“Notre outil automatise le calcul de la surcharge de correction d’erreurs en fonction des spécifications matérielles clés”, a déclaré Webber. “Pour accélérer l’exécution de l’algorithme quantique, nous pouvons effectuer davantage d’opérations en parallèle en ajoutant plus de qubits physiques. Nous introduisons des qubits supplémentaires selon les besoins pour atteindre le temps d’exécution souhaité, qui dépend de manière critique du taux d’opérations au niveau du matériel physique.”
La plupart des quantum computing hardware platforms are limited, because only qubits right next to each other can interact directly. In other platforms, such as some trapped ion designs, the qubits are not in fixed positions and can instead be physically moved around — meaning each qubit can interact directly with a wide set of other 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. “We must continue to tailor the error-correction strategies to exploit the strengths of the underlying hardware, which may allow us to solve highly impactful problems with a smaller-size quantum computer than had previously been assumed.”
Quantum computers are exponentially more powerful at breaking many encryption techniques than classical computers. The world uses RSA encryption for most of its secure communication. RSA encryption and the one Bitcoin uses (elliptic curve digital signature algorithm) will one day be vulnerable to a quantum computing attack, but today, even the largest supercomputer could never pose a serious threat.
The researchers estimated the size a quantum computer needs to be to break the encryption of the Bitcoin network within the small window of time it would actually pose a threat to do so — in between its announcement and integration into the blockchain. The greater the fee paid on the transaction, the shorter this window will be, but it likely ranges from minutes to hours.
“State-of-the-art quantum computers today only have 50-100 qubits,” said Webber. “Our estimated requirement of 30 [million] à 300 millions de qubits physiques suggère que Bitcoin devrait être considéré comme à l’abri d’une attaque quantique pour le moment, mais les dispositifs de cette taille sont généralement considérés comme réalisables, et les progrès futurs pourraient réduire encore les exigences.
“Le réseau Bitcoin pourrait effectuer un ‘hard-fork’ sur une technique de cryptage à sécurité quantique, mais cela pourrait entraîner des problèmes de mise à l’échelle du réseau en raison d’un besoin accru en mémoire.”
Les chercheurs soulignent le taux d’amélioration des algorithmes quantiques et des protocoles de correction d’erreurs.
“Il y a quatre ans, nous avons estimé qu’un dispositif à ions piégés aurait besoin d’un milliard de qubits physiques pour casser le cryptage RSA, ce qui nécessitait un dispositif d’une superficie de 100 par 100 mètres carrés”, a déclaré Webber. “Aujourd’hui, avec des améliorations à tous les niveaux, cela pourrait connaître une réduction spectaculaire à une surface de seulement 2,5 par 2,5 mètres carrés.”
Un ordinateur quantique corrigé des erreurs à grande échelle devrait être capable de résoudre d’importants problèmes que les ordinateurs classiques ne peuvent pas résoudre.
“La simulation des molécules a des applications pour l’efficacité énergétique, les batteries, l’amélioration des catalyseurs, les nouveaux matériaux et le développement de nouveaux médicaments”, a déclaré Webber. “D’autres applications existent dans tous les domaines – y compris pour la finance, l’analyse des big data, l’écoulement des fluides pour la conception des avions et les optimisations logistiques.”
Référence : “L’impact des spécifications du matériel sur l’atteinte de l’avantage quantique dans le régime de tolérance aux pannes” par Mark Webber, Vincent Elfving, Sebastian Weidt et Winfried K. Hensinger, 25 janvier 2022, AVS Quantum Science.
DOI : 10.1116/5.0073075
