Utiliser l'informatique quantique pour lutter contre le changement climatique mondial : opportunités et défis

L'informatique quantique fait référence à une nouvelle forme d'informatique basée sur la physique quantique. Il promet de surpasser les ordinateurs traditionnels en matière de traitement des données et de leur optimisation. Cette technologie pourrait avoir un large éventail d’applications environnementales, notamment l’amélioration des performances énergétiques et l’optimisation de la planification urbaine.

Qu'est-ce que l'informatique quantique ?

Les ordinateurs classiques utilisés dans notre vie quotidienne sont bénéfiques au développement de l'humanité. Cependant, ils sont peu à peu remplacés par des machines de plus en plus sophistiquées.

Un problème que les ordinateurs classiques ne peuvent pas résoudre est l'optimisation. Par exemple, combien de combinaisons possibles existe-t-il pour configurer des sièges pour 10 personnes autour d’une table ? La réponse équivaut à environ 3,6 millions de combinaisons. À mesure que le nombre de sièges augmente, le nombre de combinaisons possibles augmente de façon exponentielle. Afin de trouver la meilleure disposition des sièges, nous avons d’abord besoin d’une liste de critères qui déterminent la meilleure disposition. Cependant, la partie la plus laborieuse et la plus longue est qu'un ordinateur classique devrait simuler chaque combinaison afin de générer les résultats. En fonction de la taille des données, les ordinateurs classiques peuvent mettre beaucoup de temps à générer des résultats. Cependant, les ordinateurs quantiques ont le potentiel de résoudre des problèmes en quelques minutes.

L'unité d'information de base dans un ordinateur classique est appelée chiffre binaire, également communément appelé « bit ». Un bit vaut "1" ou "0". S'il y a deux bits d'affilée, il existe quatre combinaisons possibles : 00, 01, 10 et 11. Par conséquent, un ordinateur classique devrait simuler quatre fois pour produire un résultat.

D'autre part, l'unité d'information de base dans un ordinateur quantique est appelée « qubit ». Un qubit n'est ni un "1" ni un "0". Au lieu de cela, il existe dans une superposition de « 1 » et de « 0 ». En d’autres termes, il s’agit à la fois d’un « 1 » et d’un « 0 ». Par conséquent, deux qubits consécutifs sont dans une superposition de quatre états : 00, 01, 10 et 11. Pourquoi est-ce révolutionnaire ? Le fait d’être dans une superposition de tous les états montre qu’en théorie, un ordinateur quantique n’a besoin que d’une seule simulation pour générer un résultat. Trouvez la meilleure disposition de 10 sièges parmi plus de 3,6 millions de combinaisons en quelques essais seulement.

Quelle est la relation entre l'informatique quantique et la protection de l'environnement ?

L'informatique quantique peut être adoptée dans n'importe quel domaine nécessitant une optimisation ; il peut s'agir d'améliorer la performance énergétique ou de développer une ville intelligente qui minimise la consommation d'énergie.

Un exemple est le problème d'affectation quadratique (QAP), un problème mathématique que les ordinateurs classiques résolvent mal. Supposons qu'il y ait n installations et n emplacements, et que vous deviez configurer une installation à chaque emplacement pour minimiser la consommation d'énergie. Logiquement, si nous devons transporter fréquemment de grandes quantités de marchandises entre deux installations, nous souhaitons les rapprocher, et vice versa.

Une étude a comparé les performances des ordinateurs quantiques et classiques dans la résolution de problèmes d'affectation quadratique en fournissant des données provenant de 20 installations et emplacements. En conséquence, l’ordinateur quantique a produit une réponse précise en 700 secondes environ, alors que l’ordinateur classique n’a pas réussi à respecter le délai de 12 heures. Cette recherche démontre l’énorme potentiel de l’informatique quantique pour optimiser la planification urbaine afin de minimiser la consommation d’énergie.

En plus de ses fonctionnalités, l’informatique quantique elle-même est également une technologie respectueuse de l’environnement. Selon une étude publiée conjointement par la NASA, Google et Oak Ridge National Laboratory, un ordinateur quantique ne nécessite que 0,002 % de l'énergie consommée par un ordinateur classique pour effectuer la même tâche. L'énergie consommée par les ordinateurs est énorme ; si l'on exclut l'énergie consommée par les ordinateurs et les smartphones des gens ordinaires, les centres de données eux-mêmes représentent déjà plus de 1 % de l'électricité mondiale. Si les données pouvaient être stockées sous forme de qubits, nous pourrions économiser beaucoup d’énergie.

Défis actuels de l'informatique quantique

L'ordinateur quantique le plus puissant au monde est désormais le « ​Eagle​​ » avec une capacité de 127 qubits développé par International Business Machines Corporation (IBM). Cependant, les scientifiques estiment que si les ordinateurs quantiques n’ont pas une capacité d’au moins 1 000 qubits, ils n’auront aucune utilité commerciale. La lenteur du développement des ordinateurs quantiques est en grande partie due aux difficultés techniques liées à leur construction.

On demande aux scientifiques de manipuler des particules aussi petites que des électrons pour créer des qubits. Les électrons doivent maintenir une cohérence, ce qui signifie un état dans lequel les ondes électroniques peuvent interférer de manière cohérente les unes avec les autres. Cependant, les électrons sont très sensibles aux environnements extérieurs, comme le bruit et la température. Par conséquent, la fabrication de qubits s’effectue généralement dans un environnement isolé fonctionnant proche du zéro absolu. Étant donné que les atomes se déplacent à leur état d’énergie le plus bas, qui est le zéro absolu, maintenir les électrons à cette température les aide à rester stables et moins affectés par l’environnement extérieur. C'est un moyen de réduire l'apparition de décohérence. Cependant, lorsqu'une décohérence se produit, nous ne disposons toujours pas de moyen clair pour la corriger, car des interférences externes peuvent détruire la cohérence restante des autres électrons.

Bien que l’informatique quantique en soit encore à ses balbutiements, nous avons assisté à d’énormes progrès dans ce domaine depuis sa création en tant que théorie dans les années 1980. L'informatique quantique pourrait être la prochaine plus grande avancée de l'humanité, du suivi des données moléculaires du corps humain que les ordinateurs traditionnels ne peuvent pas réaliser au développement de médicaments pour traiter différentes maladies incurables, en passant par l'optimisation de l'efficacité énergétique des villes, des pays et même du monde.

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