Comprendre l’informatique quantique – algorithmes et applications
Comprendre l’informatique quantique – algorithmes et applications
Par Olivier Ezratty, expert FrenchWeb
Maintenant que nous avons dĂ©sossĂ© un ordinateur quantique avec ses qubits, ses registres, ses portes et son frigo, voyons-donc comment on peut exploiter cette belle quincaillerie. L’ordinateur quantique utilise des algorithmes dits quantiques qui ont la particularitĂ© d’ĂȘtre bien plus efficaces que leurs Ă©quivalents conçus pour des ordinateurs traditionnels. Mais ces algorithmes ne sont pas trĂšs nombreux et leur performance relative aux algorithmes traditionnels pas toujours Ă©vidente Ă prouver. Elle est mĂȘme parfois contestĂ©e.
Richard Feynman avait dĂ©crit l’idĂ©e de crĂ©er des simulateurs quantiques en 1982 dans Simulating Physics with Computers (22 pages). Son idĂ©e consistait Ă crĂ©er des dispositifs exploitant les effets de la mĂ©canique quantique pour les simuler tandis que cette simulation serait quasiment impossible avec des ordinateurs traditionnels. Cela correspond aujourd’hui Ă l’un des usages des ordinateurs quantiques, comprenant notamment la simulation des interactions atomiques dans des structures inertes ou biologiques. On peut mĂȘme faire la distinction entre simulateurs quantiques analogiques et simulateurs quantiques numĂ©riques, Ă base de qubits et de portes quantiques.
Des mathĂ©maticiens planchent depuis le milieu et la fin des annĂ©es 1980 sur la crĂ©ation d’algorithmes adaptĂ©s aux simulateurs et ordinateurs quantiques, bien avant que l’on en ait vu l’ombre de la couleur. Les premiers algorithmes quantiques ont Ă©tĂ© publiĂ©s au dĂ©but des annĂ©es 1990 et les chercheurs en crĂ©ent rĂ©guliĂšrement de nouveaux depuis 25 ans. Le Quantum Algorithm Zoo en identifie une soixantaine dans la littĂ©rature scientifique ! C’est un nombre encore modeste au regard des algorithmes non quantiques qui se comptent en milliers.
Leur crĂ©ation est un travail de recherche parallĂšle avec la partie matĂ©rielle des ordinateurs quantiques. Ce n’est pas la premiĂšre fois dans l’Histoire qu’il en est ainsi. L’emblĂ©matique Ada Lovelace planchait sur la crĂ©ation des premiers algorithmes et lignes de code devant tourner sur la machine de Charles Babbage, qui ne vit jamais le jour. Elle avait annotĂ© en 1842/1843 une traduction de son cru d’un papier de l’Italien Luigi Federico Menabrea qui dĂ©crivait la machine de Babbage. Il fallut attendre 102 ans pour que les premiers ordinateurs voient le jour Ă la fin de la seconde guerre mondiale ! Cela rappelle dans un autre domaine les dessins d’hĂ©licoptĂšres de LĂ©onard de Vinci qui datent de 1487-1490. Un premier hĂ©licoptĂšre propulsĂ© par l’Ă©nergie humaine et crĂ©Ă© par l’UniversitĂ© de Toronto a volĂ© en 2013, AeroVelo (vidĂ©o) suivi d’un autre spĂ©cimen assez voisin issu de l’UniversitĂ© de Maryland qui vient tout juste de voler en 2018 (vidĂ©o) ! Donc, avec plus de cinq siĂšcles de dĂ©calage ! Cette mĂȘme UniversitĂ© de Maryland est d’ailleurs l’une des plus en pointe dans le monde dans les ordinateurs quantiques Ă base d’ions piĂ©gĂ©s ! Comme quoi !
AprĂšs-guerre, l’Histoire se rĂ©pĂ©ta en partie pour nombre de travaux du vaste champ de l’intelligence artificielle, oĂč les chercheurs planchaient Ă©galement sur des algorithmes, notamment Ă base de rĂ©seaux de neurones, avant que les ordinateurs puissent les exĂ©cuter convenablement. L’essor du deep learning depuis 2012 est en partie liĂ© Ă la puissance des machines et des GPU Ă mĂȘme d’entraĂźner de tels rĂ©seaux de neurones. Le matĂ©riel a une fois encore rejoint les algorithmes qui Ă©taient en avance sur leur temps.
Aujourd’hui, une bonne part des algorithmes quantiques qui sont inventĂ©s ne sont pas encore exĂ©cutables sur les ordinateurs quantiques disponibles ni mĂȘme sur des simulateurs quantiques Ă base d’ordinateurs traditionnels. Les qubits sont disponibles dans un nombre bien trop faible pour qu’ils servent Ă quelque chose et surtout, qu’ils soient plus performants que ordinateurs traditionnels. Les supercalculateurs Ă©mulent difficilement plus de 50 qubits.
Comme dans le passĂ© de l’Histoire de l’informatique, nous en sommes dans le quantique Ă naviguer dans les couches basses du logiciel. Un peu comme pour les programmeurs en langage machine ou en assembleur d’il y a 30 Ă 50 ans. Les algorithmes quantiques sont les couches les plus basses des solutions logicielles qui restent Ă inventer puis Ă assembler. Les algorithmes quantiques exploitent les portes quantiques que nous avons vues dans la partie prĂ©cĂ©dente.
La crĂ©ation d’algorithmes quantiques requiert une capacitĂ© d’abstraction sans commune mesure avec celle des algorithmes et programmes traditionnels. Une nouvelle gĂ©nĂ©ration de mathĂ©maticiens et dĂ©veloppeurs capables de raisonner en mode quantique devra se dĂ©velopper au grĂ© de la maturation des ordinateurs quantiques. Ils devront ĂȘtre capables de conceptualiser des algorithmes qui ne sont pas faciles Ă se reprĂ©senter physiquement. Qui plus est, ces algorithmes devront aussi, c’est la moindre des choses, ĂȘtre bien plus efficaces que leurs Ă©quivalents pour ordinateurs traditionnels ou supercalculateurs.
L’ambiguĂŻtĂ© de la suprĂ©matie quantique
Avant de rentrer dans le dĂ©tail des algorithmes quantiques, il nous faut expliquer la signification de la notion de “suprĂ©matie quantique” qui commence Ă fleurir dans la communication de certains acteurs tels que Google. C’est un terme un peu galvaudĂ© dont vous entendrez parler dans diverses annonces tonitruantes Ă venir.
Voir par exemple New twists in the road to quantum supremacy et Google’s new chip is a stepping stone to quantum computing supremacy publiĂ©s dans la sĂ©rieuse MIT Technology Review en 2017. L’appellation a Ă©tĂ© inventĂ©e en 2011 par l’AmĂ©ricain John Preskill dans sa communication au CongrĂšs de Solvay de cette annĂ©e-lĂ , dĂ©crite dans Quantum Computing and the Entanglement Frontier.
Une “suprĂ©matie quantique” est atteinte lorsqu’un algorithme traitant un problĂšme donnĂ© n’est exĂ©cutable que sur un ordinateur quantique, ce problĂšme ne pouvant pas ĂȘtre rĂ©solu mĂȘme sur le plus puissant des supercalculateurs. De nombreux spĂ©cialistes affirment que le seuil de 50 qubits de qualitĂ© pur porc – avec un faible taux d’erreurs et un long temps de dĂ©cohĂ©rence – constituera une Ă©tape clĂ© de l’atteinte de cette suprĂ©matie quantique.
Mais cette appellation n’est pas absolue. Elle ne signifiera pas qu’un ordinateur quantique donnĂ© est suprĂȘmement plus puissant que tous les supercalculateurs du moment. C’est une appellation qui devra ĂȘtre utilisĂ©e au cas par cas avec des couples d’algorithmes quantiques et d’ordinateurs quantiques, et avec des tests rĂ©alisĂ©s sĂ©rieusement avec le meilleur possible des algorithmes adaptĂ©s aux supercalculateurs sachant que celui-ci est aussi mouvant.
Certains benchmarks de D-Wave et Google rĂ©alisĂ©s en 2015 et montrant la supĂ©rioritĂ© de la solution quantique (dite adiabatique ou Ă recuit quantique) ont Ă©tĂ© ensuite contredits par la crĂ©ation d’algorithmes optimisĂ©s pour des supercalculateurs. Bref, cette suprĂ©matie quantique naviguera dans un premier temps dans des sables mouvants.
Elle interviendra certainement d’ici quelques annĂ©es pour quelques algorithmes qui ne peuvent avoir d’Ă©quivalents optimisĂ©s pour les supercalculateurs. Voir Ă ce sujet Quantum Algorithms Struggle Against Old Foe: Clever Computers de Ariel Bleicher (fĂ©vrier 2018) qui rappelle Ă juste titre que les supercalculateurs et ceux qui les exploitent n’ont pas dit leur dernier mot et cherchent aussi Ă amĂ©liorer leurs propres algorithmes. A long terme, le quantique supplantera certainement les supercalculateurs pour un grand nombre d’algorithmes.
Il semblerait sinon que les limitations des supercalculateurs pour simuler des algorithmes quantiques relĂšvent plus de leur mĂ©moire vive que de leur capacitĂ© de traitement. Il faudrait 10 Po de mĂ©moire pour simuler 48 qubits. Quand on arrive Ă 50 qubits, on dĂ©passe la capacitĂ© mĂ©moire des supercalculateurs d’aujourd’hui. Si on passe Ă 96 qubits, la mĂ©moire nĂ©cessaire pour simuler l’ensemble sur supercalculateur est multipliĂ©e par 2 puissance 48. Bref, la loi de Moore de la mĂ©moire ne peut pas suivre le rythme d’une augmentation linĂ©aire du nombre de qubits alignĂ©s dans un ordinateur quantique.
Il faudra se mĂ©fier des annonces des IBM et autres Google lorsqu’ils prĂ©tendront avoir atteint cette suprĂ©matie quantique. Quand Google communiquait en mars 2018 sur la crĂ©ation d’un ordinateur quantique de 72 qubits, donc bien au-delĂ de 50 qubits, il se gardait bien de prĂ©ciser le temps de cohĂ©rence de l’ensemble ainsi que du niveau du bruit gĂ©nĂ©rĂ©, sans compter le fait qu’il n’avait pas encore Ă©tĂ© benchmarkĂ© avec un algorithme donnĂ©. Sans ces informations, une annonce d’ordinateur quantique reste du vent !
Il faut donc attendre d’avoir des Ă©lĂ©ments d’informations complets pour juger, comme l’indiquent fort bien Cristian et Elena Calude de l’UniversitĂ© d’Auckland en Nouvelle ZĂ©lande dans The road to quantum computing suppremacy publiĂ© fin 2017. Ils arguent aussi du fait que l’on compare une limite haute de performance, celle d’un ordinateur quantique prĂ©cis, Ă une limite basse qui est la meilleure performance dans la rĂ©solution du mĂȘme problĂšme dans un supercalculateur. Or, il est plus facile de dĂ©montrer qu’un truc existe que son inexistence.
Une suprĂ©matie quantique est donc un comparable entre l’existence d’une performance quantique et la supposition de la non existence d’une performance Ă©quivalente dans le non quantique. Les auteurs rappellent aussi un critĂšre qui manque parfois Ă l’analyse : il vaudrait mieux que l’algorithme testĂ© serve Ă quelque chose ! Ce qui n’est pas toujours Ă©vident avec les algorithmes quantiques comme nous le verrons plus loin.
Usages des applications quantiques
Avant de rentrer dans le lard des algorithmes quantiques, faisons un détour de leur utilité pratique connue à ce jour.
Je les ai organisés ci-dessous en trois niveaux verticaux : les fonctions de base, les algorithmes puis les applications concrÚtes. Tout ceci relÚve encore largement de la prospective car nombre de ces solutions demanderont des puissances en termes de nombre et de qualité de qubits qui ne seront pas disponibles avant plusieurs années voire décennies.
Dans un ordre vaguement chronologique, nous aurons tout d’abord des applications d’algorithmes de recherche et d’optimisation basĂ©s sur les Ă©quations linĂ©aires en gĂ©nĂ©ral sachant que tous les algorithmes quantiques reposent sur des Ă©quations linĂ©aires. On peut y caser les solutions de rĂ©solution de problĂšmes complexes, comme la dĂ©termination du parcours optimal d’un commercial, un sujet bien connu. Sa variante est la solution d’optimisation du trafic individuel de nombreux vĂ©hicules dans une ville en tenant compte de l’ensemble des trajets planifiĂ©s pour chacun d’entre eux.
Cette catĂ©gorie de solutions comprend aussi l’accĂ©lĂ©ration de l’entraĂźnement des rĂ©seaux de neurones du deep learning. L’avantage par rapport aux techniques existantes s’appuyant sur des processeurs neuromorphiques n’est pas encore Ă©vidente et dĂ©montrĂ©e. Qui plus est, la faisabilitĂ© de ces rĂ©seaux de neurones est Ă©tablie sur architectures traditionnelles, Ă base de GPUs comme ceux de Nvidia ou de TPU (Tensor Processing Units) comme ceux de Google, sans compter les processeurs Ă base de memristors qui sont encore au stade du laboratoire.
En second lieu, dans le vaste champ de la simulation quantique, nous aurons d’abord des applications dans la chimie et la physique des matĂ©riaux pour simuler les interactions entre atomes dans molĂ©cules et structures cristallines, qui dĂ©pendent elles-mĂȘmes des lois de la mĂ©canique quantique. Cela servira si tout va bien Ă inventer de nouvelles solutions comme des batteries plus efficaces, chargeables plus rapidement et avec une plus grande densitĂ© Ă©nergĂ©tique, des procĂ©dĂ©s chimiques de captation du carbone ou de fixation de l’azote, ainsi que la crĂ©ation de matĂ©riaux supraconducteurs Ă tempĂ©rature ambiante. Ce sont des hypothĂšses non encore validĂ©es Ă savoir que les algorithmes quantiques complĂ©tĂ©s d’ordinateurs quantiques bien dimensionnĂ©s avec des centaines de qubits logiques seront Ă mĂȘme de permettre aux chercheurs d’avancer dans ces domaines-lĂ .
En dernier lieu et avec des quantitĂ©s de qubits bien plus importantes, donc Ă plus lointaine Ă©chĂ©ance, la simulation quantique pourra Ă©ventuellement passer Ă la simulation de molĂ©cules biologiques. Cela commencera avec celle de peptides, puis de polypeptides, et enfin, de protĂ©ines et d’enzymes. Les molĂ©cules biologiques ont la particularitĂ© d’ĂȘtre trĂšs complexes, avec des structures pouvant atteindre des dizaines de milliers d’atomes. Le top du top serait la capacitĂ© Ă simuler l’assemblage puis le fonctionnement d’un ribosome, qui fait plus de 100 000 atomes. C’est la structure molĂ©culaire la plus magique du vivant, celle qui assemble les acides aminĂ©s pour construire les protĂ©ines Ă partir du code de l’ARN messager issu de la transposition de l’ADN des gĂȘnes. Suivrait alors la simulation du fonctionnement d’une cellule entiĂšre. Mais lĂ , on est Ă la frontiĂšre de la science-fiction, mĂȘme en Ă©tant trĂšs optimiste sur l’informatique quantique !
Mon schĂ©ma est une version simplifiĂ©e d’un Ă©quivalent trouvĂ© dans un rapport du Gartner Group de fin 2017, ci-dessous.
Principes de base
Comme nous l’avons vu dans la partie prĂ©cĂ©dente qui dĂ©crit la structure d’un ordinateur quantique, un algorithme quantique va intĂ©grer Ă la fois la partie initialisation des donnĂ©es puis celle des calculs et enfin de la mesure du rĂ©sultat. Elle s’appliquera Ă un registre de n qubits qui sont physiquement initialisĂ©s Ă zĂ©ro, puis modifiĂ©s par des portes quantiques.
Le rĂ©sultat correspond Ă la mesure de l’Ă©tat de ces mĂȘmes qubits Ă la fin de l’exĂ©cution de l’algorithme. Si le rĂ©sultat recherchĂ© est purement binaire (0 ou 1 par qubits), le cycle ne sera exĂ©cutĂ© qu’une seule fois. Si le rĂ©sultat est une probabilitĂ© de 0 et de 1 pour chaque qubits, alors, il faudra rĂ©pĂ©ter de nombreuses fois le cycle initialisation-algorithme-mesure et faire une moyenne des 0 et des 1 obtenu pour chaque qubit et obtenir un nombre flottant compris entre 0 et 1.
L’algorithme doit ĂȘtre compatible avec les caractĂ©ristiques de l’ordinateur quantique. Les principales sont le temps de cohĂ©rence et la durĂ©e d’exĂ©cution des portes quantiques. Le nombre de portes quantiques Ă exĂ©cuter devra permettre d’exĂ©cuter l’algorithme dans un temps infĂ©rieur au temps de cohĂ©rence au bout duquel les qubits perdront leur Ă©tat de superposition. Cette vĂ©rification est gĂ©nĂ©ralement rĂ©alisĂ©e par les compilateurs de code quantique. Elle devra tenir compte des codes de correction d’erreurs qui sont souvent mis en Ćuvre sous la forme de sous algorithmes prĂ©fabriquĂ©s intĂ©grĂ©s dans l’algorithme “mĂ©tier” crĂ©Ă© par le dĂ©veloppeur.
Il en va de mĂȘme des portes quantiques utilisĂ©es dans les outils de dĂ©veloppement. Certaines portes quantiques, notamment s’appliquant sur deux ou trois qubits, sont utilisĂ©es par les dĂ©veloppeurs mais seront converties par le compilateur en un jeu de portes quantiques universelles supportĂ©es par l’ordinateur quantique. Cela va aussi multiplier le nombre de portes quantiques par rapport Ă l’algorithme initial. Dans la pratique, l’ordinateur va donc exĂ©cuter un nombre de portes quantiques bien plus grand que l’algorithme conçu par le dĂ©veloppeur.
L’une des considĂ©rations importantes de la crĂ©ation d’algorithmes quantiques est de s’assurer qu’ils sont plus efficaces que leurs Ă©quivalents optimisĂ©s pour des ordinateurs ou supercalculateurs traditionnels. Des thĂ©ories permettent de vĂ©rifier cela pour Ă©valuer la montĂ©e en puissance exponentielle, polynomiale, quadratique ou logarithmique du temps de calcul en fonction de la taille du problĂšme Ă rĂ©aliser, ou une combinaison des quatre. Mais rien ne remplace l’expĂ©rience !
Les grandes classes d’algorithmes quantiques
Les algorithmes quantiques sont des applications pratiques de l’algĂšbre linĂ©aire, cette branche des mathĂ©matiques qui gĂšre des espaces vectoriels et des transformations linĂ©aires Ă base de matrices. Elles sont appliquĂ©es dans des espaces Ă deux dimensions, les vecteurs qui dĂ©finissent les Ă©tats de qubits. Leur manipulation s’appuie sur des calculs matriciels qui permettent de modifier l’Ă©tat des qubits sans en lire le contenu. Leur lecture n’intervient qu’Ă la fin des calculs. Cela rend difficile la programmation conditionnelle, du genre : faire tel calcul si tel rĂ©sultat intermĂ©diaire a telle valeur ou vĂ©rifie telle condition. Mais les portes quantiques conditionnelles (CNOT & co) permettent d’Ă©muler ce genre de comportement dans un algorithme quantique.
A ce jour, quatre principales catĂ©gories d’algorithmes quantiques sont disponibles et que nous dĂ©taillerons plus loin :
- Les algorithmes de recherches basés sur ceux de Deutsch-Jozsa, Simon et de Grover.
- Les algorithmes basés sur les transformées de Fourier quantiques (QFT), comme celui de Shor qui sert à la factorisation de nombres entiers qui a déclenché un phénomÚne de pompiers-pyromanes, les pyromanes étant ceux qui veulent créer des ordinateurs quantiques capables de casser les clés de sécurité publiques de type RSA et les pompiers étant ceux qui cherchent à protéger les communications numérique avec des algorithmes résistant à la factorisation rapide de nombre entiers.
- Les algorithmes qui cherchent un point d’Ă©quilibre d’un systĂšme complexe comme dans l’entraĂźnement de rĂ©seaux de neurones, la recherche de chemin optimal dans des rĂ©seaux ou l’optimisation de processus.
- Les algorithmes de simulation de mécanismes quantiques qui servent notamment à simuler les interactions entre atomes dans des structures moléculaires diverses, inorganiques et organiques.
La roadmap ci-dessous illustre le rythme de crĂ©ation de ces nouveaux algorithmes sur les trois derniĂšres dĂ©cennies. Et l’histoire ne fait que commencer parce que la dynamique d’innovation exponentielle du thĂšme est pour l’instant limitĂ©e par l’imagination humaine et surtout, par les capacitĂ©s d’expĂ©rimentation.
Voici quelques sources d’information pour creuser la question : Quantum Computing Applications d’Ashley Montanaro de l’UniversitĂ© de Bristol, 2013 (69 slides), Introduction Ă l’information quantique de Yves Leroyer et GĂ©raud SĂ©nizergues de l’ENSEIRB-MATMECA, 2016-2017 (110 pages), un cours rĂ©cent intĂ©ressant sur la partie algorithmique, An Introduction to Quantum Computing de Phillip Kaye, Raymond Laflamme et Michele Mosca, Oxford, 2017 (284 pages), Lecture Notes on Quantum Algorithms de Andrew M. Childs, University of Maryland, 2017 (174 pages), Quantum Computation and Quantum Information de Nielsen et Chuang, 2010 (698 pages) et A Course in Quantum Computing for the Community College de Michael Locef, 2016 (742 pages) qui pose de maniĂšre trĂšs dĂ©taillĂ©e les fondements mathĂ©matiques du calcul et des algorithmes quantiques et nĂ©cessite plusieurs semaines pour ĂȘtre parcouru et compris.
En complĂ©ment, voici quelques vidĂ©os sur ce mĂȘme sujet : Quantum Algorithms d’Andrew Childs en 2011 (2h31), Language, Compiler, and Optimization Issues in Quantum Computing de Margaret Martonosi, 2015 (39 minutes et slides) et What Will We Do With Quantum Computing? de Aram Harrow, MIT, 2018 (32 minutes).
Les algorithmes quantiques sont classifiables et explicables Ă haut niveau, mais leur comprĂ©hension dĂ©taillĂ©e n’est pas une partie de plaisir. Il faut soit avoir une capacitĂ© de vision conceptuelle assez dĂ©veloppĂ©e, soit une maitrise des mathĂ©matiques poussĂ©e, et idĂ©alement les deux Ă la fois. Dans ce qui suit, je vais donc vous dĂ©crire quelques algorithmes mais en reconnaissant que je n’ai pas vĂ©ritablement tout compris de leur fonctionnement dans les qubits et opĂ©rations de portes quantiques appliquĂ©es dessus. Le quantique est ainsi fait en gĂ©nĂ©ral : on n’a jamais tout compris ! DĂ©crire cela est donc un vĂ©ritable exercice d’humilitĂ© intellectuelle.
Algorithmes de recherche
L’un des premiers algorithmes quantiques inventĂ©s est celui de David Deutsch, avec sa dĂ©clinaison dite de Deutsch-Jozsa, coinventĂ©e avec Richard Jozsa et qui date de 1992. Cet algorithme permet de caractĂ©riser la fonction d’une “boite noire” que l’on appelle un “oracle” dont on sait Ă l’avance qu’elle va retourner pour toutes ses entrĂ©es, soit toujours la mĂȘme valeur, 0 ou 1, soit les valeurs 0 et 1 Ă parts Ă©gales. L’algorithme permet donc de savoir si la fonction f() est Ă©quilibrĂ©e ou pas. Elle est appliquĂ©e Ă un ensemble de qubits n.
Les qubits en entrĂ©e sont tous initialisĂ©s Ă 0 sauf un qui l’est Ă 1 puis ils sont chacun mis en superposition entre 0 et 1 via des portes de Hadamard. Les qubits ont donc simultanĂ©ment toutes les valeurs possible avec 2 puissance n+1 combinaisons de valeurs. Il est facile de comprendre pourquoi cet algorithme quantique est bien plus efficace que sa version traditionnelle : en calcul traditionnel, il faudrait scanner plus de la moitiĂ© des valeurs possibles en entrĂ©e de maniĂšre sĂ©quentielle alors que dans la version quantique, elles sont toutes analysĂ©es en mĂȘme temps. Le rĂ©sultat est donc obtenu avec quelques sĂ©ries de portes quantiques, presque instantanĂ©ment, et il est parfaitement dĂ©terministe.
Ces qubits en superposition traversent la boite noire qui contient un ensemble de portes avec une fonction Ă Ă©valuer. On mesure alors en sortie le rĂ©sultat pour voir si la fonction est Ă©quilibrĂ©e ou pas grĂące Ă d’autres portes de Hadamard. L’initialisation du dernier qubit Ă 1 sert Ă gĂ©nĂ©rer une interfĂ©rence avec les autres qubits qui va impacter les valeurs sortant des portes H aprĂšs le passage par l’oracle. La fonction f est constante si la totalitĂ© des mesures donne 0 et dĂ©sĂ©quilibrĂ©e si au moins d’un des qubits en sortie retourne 1. Pour savoir comment cela fonctionne dans le dĂ©tail, vous pouvez voir les formules mathĂ©matiques associĂ©es ainsi que la prĂ©sentation Deutsch-Jozsa Algorithm de Eisuke Abe, 2005 (29 slides). Mais ce n’est pas des plus Ă©vident ! Les explications donnĂ©es sont toujours incomplĂštes pour bien comprendre ces algorithmes. Elles n’indiquent pas bien oĂč se retrouve le bit de sortie de la fonction de l’oracle qui est soit de 0 soit de 1.
L’intĂ©rĂȘt pratique ? C’est un exemple d’algorithme ultra puissant qui n’a aucune utilitĂ© pratique connue Ă ce jour. On est bien avancĂ©s ! Qui plus est, il existe des algorithmes probabilistes classiques trĂšs efficaces qui effacent une bonne part du gain de puissance quantique de l’algorithme de Deutsch-Jozsa. C’est le cas en particulier de l’algorithme de recherche de Monte Carlo qui Ă©value la fonction d’oracle sur un nombre limitĂ© d’entrĂ©es choisies alĂ©atoirement. La probabilitĂ© d’erreurs est dĂ©pendante du nombre d’Ă©valuations et dĂ©croit trĂšs rapidement. Voir Ă ce sujet le document ModĂšles de Calcul Quantique (30 pages).
Alors, le quantique ne sert donc Ă rien ? Non, bien sĂ»r. D’autres algorithmes moins performants mais bien plus utiles ont vu le jour depuis ce patient zĂ©ro de l’algorithmie quantique !
L’algorithme de Simon est une variante plus complexe de celui de Deutsch-Jozsa. Il consiste Ă trouves les combinaisons de valeurs qui vĂ©rifient une condition imposĂ©e par la fonction “boite noire”. Le gain de performance est trĂšs intĂ©ressant et cette fois-ci, les applications existent, notamment pour rĂ©soudre des problĂšmes de parcours dans des graphes. Le gain de performance est typique de ce que le quantique apporte : on passe d’un calcul classique qui est de temps exponentiel (2 puissance n/2) Ă un temps linĂ©aire en N.
L’autre algorithme le plus connu de cette catĂ©gorie est celui de Grover, crĂ©Ă© en 1996. Il permet de rĂ©aliser une recherche quantique rapide dans une base de donnĂ©es. Un peu comme l’algorithme de Deutsch-Jorza, il permet de scanner une liste d’Ă©lĂ©ments pour trouver ceux qui vĂ©rifient un critĂšre. Il utilise aussi la superposition d’Ă©tats de qubits pour accĂ©lĂ©rer le traitement par rapport Ă une recherche sĂ©quentielle traditionnelle dans une base non triĂ©e et non indexĂ©e. L’amĂ©lioration de performance est significative par rapport Ă une base non triĂ©e, Ă ceci prĂšs que dans la vraie vie, on utilise gĂ©nĂ©ralement des bases indexĂ©es !
L’algorithme de Grover utilise aussi une fonction “oracle” ou “boite noire” qui va indiquer si un ensemble de qubits en entrĂ©e vĂ©rifie un critĂšre de recherche ou non, comme pour vĂ©rifier qu’un numĂ©ro de tĂ©lĂ©phone donnĂ© a Ă©tĂ© trouvĂ© dans une liste de numĂ©ros de tĂ©lĂ©phone. Dans un tel cas, la fonction compare le numĂ©ro de tĂ©lĂ©phone recherchĂ© et celui qui lui est soumis pour rĂ©pondre 1 si ils sont identiques et 0 sinon. La boite noire Ă©tant quantique, elle va Ă©valuer cette fonction pour 2 puissance N registres de qubits en mĂȘme temps. Elle sortira donc un 1 une fois et des 0 autrement. La question Ă©tant de savoir si un 1 est sorti une fois et Ă quelle entrĂ©e il correspond. Pour ce faire, lĂ aussi avec des portes de Hadamard, l’algorithme va amplifier graduellement la combinaison de qubits du rĂ©sultat Ă une valeur 1 et faire converger les autres combinaisons de qubits vers 0. Il sera alors possible de mesurer le rĂ©sultat et on obtiendra la combinaison de qubits avec la valeur recherchĂ©e.
Le temps de calcul est proportionnel Ă la racine carrĂ©e de la taille de la base et l’espace de stockage nĂ©cessaire est proportionnel au logarithme de la taille de la base. Un algorithme classique a un temps de calcul proportionnel Ă la taille de la base. Passer d’un temps N Ă sqrt(N) est donc un gain intĂ©ressant, mais il ne transformera pas un problĂšme de taille exponentielle en problĂšme de taille polynomial (2 puissance N vers N puissance M).
Par contre, cet algorithme peut ensuite ĂȘtre exploitĂ© pour ĂȘtre intĂ©grĂ© dans d’autres algorithmes comme ceux qui permettent de dĂ©couvrir le chemin optimal dans un graphe ou le nombre minimal ou maximal d’une sĂ©rie de N nombres.
Notons cependant que l’algorithme de recherche de Grover nĂ©cessite l’emploi d’une mĂ©moire quantique (QRAM) qui n’est pas encore au point ! C’est notamment documentĂ© dans Quantum algorithms for linear algebra de Anupam Prakash, 2015 (92 slides).
Ces diffĂ©rents algorithmes de recherche sont dĂ©clinĂ©s en diverses variantes et sont exploitĂ©s en piĂšces dĂ©tachĂ©es dans d’autres algorithmes quantiques.
Transformées de Fourier quantiques et usages associés
Les transformĂ©es de Fourier classiques permettent d’identifier les frĂ©quences qui composent un signal. En thĂ©orie du signal, cela permet d’identifier les composantes de base d’un son en le dĂ©composant en frĂ©quences. En astrophysique, on dĂ©termine la composition atomique des Ă©toiles par une dĂ©composition du spectre lumineux, mais celle-ci est opĂ©rĂ©e par un prisme optique et pas par transformĂ©e de Fourier. Il en va de mĂȘme pour les capteurs en proche infrarouge de type Scio qui dĂ©terminent la composition des aliments. Un prisme et le principe de la diffraction permettent donc de rĂ©aliser optiquement une transformĂ©e de Fourier.
La transformĂ©e de Fourier quantique est utilisĂ©e dans divers autres algorithmes et en particulier dans celui de Shor qui sert Ă factoriser des nombres entiers. Elle n’est pas une transformĂ©e parfaite qui rĂ©alise une dĂ©composition complĂšte en frĂ©quences d’un signal. Elle sert Ă identifier la frĂ©quence d’amplitude la plus forte d’un signal donnĂ©. Elle ne peut pas servir Ă du traitement fin du signal comme on le fait dans des DSP (Digital Signal Processors) traditionnels.
Le gain de vitesse gĂ©nĂ©rĂ© ? Le temps de calcul passe de N*log(N) pour les meilleures transformĂ©es de Fourier simples Ă log2(N) pour la QFT. On passe donc d’un ordre de grandeur linĂ©aire Ă un ordre de grandeur logarithmique. C’est un gain apprĂ©ciable mais pas trĂšs impressionnant.
La factorisation de Shor permet permet de dĂ©composer des entiers en nombres premiers bien plus rapidement qu’avec un ordinateur traditionnel. Elle utilise une QFT vue prĂ©cĂ©demment. Je vous passe les dĂ©tails du fonctionnement de l’algorithme qui est dĂ©crit dans le schĂ©ma ci-dessous (source) et dans cette explication assez claire vue dans une vidĂ©o de PBS.
L’une des premiĂšres mises en Ćuvre de l’algorithme de Shor eu lieu en 2001 chez IBM avec un ordinateur quantique expĂ©rimental de 7 qubits, pour factoriser le nombre 15. Depuis, on est juste passĂ© Ă un nombre Ă 5 chiffres, 56153, comme documentĂ© dans Quantum factorization of 56153 with only 4 qubits, 2014 (6 pages), mais avec un autre algorithme de factorisation que celui de Shor. C’est en fait un algorithme d’optimisation qui fonctionnait sur ordinateur Ă recuit quantique du Canadien D-Wave ! Le record Ă ce jour atteint en 2016 serait la factorisation de 200 099 avec 897 qubits sur D-Wave mais avec un autre algorithme que celui de Peter Shor. Comme quoi il ne faut pas jeter le bĂ©bĂ© D-Wave avec l’eau du bain du quantique universel !
Il faut surtout retenir que l’algorithme de Shor permet en thĂ©orie de casser les clĂ©s publiques de la cryptographie RSA qui est couramment utilisĂ©e dans la sĂ©curitĂ© sur Internet. Les clĂ©s publiques fonctionnent en envoyant un trĂšs long nombre entier Ă un destinataire qui possĂšde dĂ©jĂ son diviseur. Il lui suffit de diviser le grand nombre envoyĂ© par son diviseur pour rĂ©cupĂ©rer l’autre diviseur et dĂ©coder le message ainsi chiffrĂ©. Celui qui ne possĂšde pas le diviseur ne peut pas exploiter la clĂ© complĂšte sauf Ă disposer d’une Ă©norme puissance de calcul traditionnelle pour trouver ses diviseurs. Jusqu’Ă prĂ©sent, seuls les supercalculateurs de la NSA pouvaient casser les clĂ©s de taille raisonnable comprises aux alentours de 256 Ă 400 bits. Mais Ă 512, 1024 bits et au-delĂ , la tĂąche est inaccessible en un temps raisonnable pour ces supercalculateurs.
En thĂ©orie, cela deviendrait accessible Ă des ordinateurs quantiques. Mais pour casser une clĂ© publique RSA de 1024 bits, il faudra encore patienter car cela nĂ©cessite de crĂ©er des ordinateurs quantiques avec un trĂšs grand nombre de qubits fonctionnant en cohĂ©rence. On en est trĂšs trĂšs loin. A noter que l’algorithme de Shor permet aussi de casser la cryptographie utilisant des courbes elliptiques, qui concurrencent la cryptographie RSA. Au passage, une bonne part de la cryptographie utilisĂ©e dans le protocole du Bitcoin passerait Ă©galement Ă la moulinette Shor, mais pas des blockchains d’Ethereum.
En tout cas, l’algorithme de Shor terrorise les spĂ©cialistes de la sĂ©curitĂ© depuis une bonne dizaine d’annĂ©es. Cela explique l’intĂ©rĂȘt pour l’exploitation de clĂ©s quantiques, censĂ©es ĂȘtre inviolables car leur interception peut ĂȘtre dĂ©tectĂ©e par son rĂ©cipiendaire lĂ©gitime, ainsi que de la “post quantum cryptographie” consistant Ă faire Ă©voluer les algorithmes et mĂ©thodes de cryptographie pour les rendre (thĂ©oriquement) inviolables par des ordinateurs quantiques utilisant l’algorithme de Shor. Les deux mĂ©thodes Ă©tant probablement combinables. Nous aurons l’occasion de traiter de cela plus tard.
Algorithmes de machine learning et de deep learning
Quelques algorithmes d’optimisation quantiques divers existent Ă©galement. Ils peuvent permettre diverses optimisations combinatoires utiles dans divers mĂ©tiers comme dans le marketing ou la finance.
L’un de ces algorithmes relĂšve de l’entraĂźnement de rĂ©seaux de neurones. Mais cela ne change pas les fonctionnalitĂ©s accessibles, qui sont dĂ©jĂ exploitables. Cela ne jouera un rĂŽle que le jour oĂč on alignera des millions de qubits avec un faible niveau d’erreurs. Cela va d’ailleurs poser des problĂšmes d’explicabilitĂ© des algorithmes car on ne pourra pas facilement expliquer les rĂ©sultats. La dĂ©composition du processus d’entraĂźnement et d’infĂ©rence de ces rĂ©seaux de neurones quantiques sera probablement diffĂ©rente par rapport Ă leur mise en Ćuvre dans des ordinateurs plus traditionnels.
Ces algorithmes quantiques de rĂ©seaux de neurones doivent contourner le fait que les fonctions d’activation des neurones sont gĂ©nĂ©ralement non linĂ©aires, comme les sigmoĂŻdes qui sont couramment utilisĂ©es alors que les portes quantiques appliquent toutes des transformations linĂ©aires. L’astuce est expliquĂ©e dans Quantum Neuron: an elementary building block for machine learning on quantum computers, de Yudong Cao, Gian Giacomo Guerreschi et Alan Aspuru-Guzik en 2017 (30 pages).
Ces techniques seront concurrencĂ©es par les futurs processeurs neuromorphiques Ă base de memristors qui permettront de faire converger plus rapidement les rĂ©seaux par rĂ©tropropagation. C’est encore un domaine de recherche, opĂ©rĂ© notamment par Julie Grollier du laboratoire du CNRS situĂ© chez ThalĂšs TRT Ă Palaiseau, et que j’ai pu rencontrer en mai 2018.
Voici quelques autres exemples d’algorithmes d’entraĂźnement de machine learning provenant de D-Wave et exploitant leurs ordinateurs Ă recuit quantique.
Comme ils sont adaptĂ©s Ă la recherche d’un minimum Ă©nergĂ©tique de systĂšmes complexes, ils peuvent en effets servir Ă entrainer des rĂ©seaux de neurones, celui-ci correspondant Ă la recherche d’un niveau minimum d’erreur dans l’ajustement du poids des neurones.
D-Wave fournit d’ailleurs les ressources de ses calculateurs quantiques en mode “cloud”.
Dans Quantum Machine Learning, mai 2018, on trouve ce tableau qui positionne clairement les diffĂ©rentes accĂ©lĂ©rations quantiques associĂ©es Ă divers algorithmes utilisĂ©s dans le machine learning et le deep learning. Les accĂ©lĂ©rations en log(N) sont plus importantes que celles qui sont exprimĂ©es en racine carrĂ© de N. Ce document Ă©voque de nombreux algorithmes quantiques de bas niveau qui sont trĂšs utiles au machine learning et au deep learning : le qBLAS (quantum basic linear algebra subroutines), la rĂ©solution d’Ă©quations linĂ©aires, la descente de gradient pour la rĂ©tropropagation dans l’entraĂźnement des rĂ©seaux de neurones, la PCA pour dĂ©terminer les variables clĂ©s d’un jeu de donnĂ©es (Principal Component Analysis, utilisĂ©e dans le machine learning traditionnel) et le SVM (support vector machine, une mĂ©thode traditionnelle de segmentation dans le machine learning). Le tout, avec une amĂ©lioration exponentielle de vitesse de traitement.
Il existe mĂȘme des algorithmes quantiques de GAN (Generative Adversarial Networks), pour ces rĂ©seaux de neurones qui gĂ©nĂšrent des contenus synthĂ©tiques Ă partir de contenus existants en vĂ©rifiant leur plausibilitĂ© via un rĂ©seau de neurones de reconnaissance. C’est bien documentĂ© dans Quantum generative adversarial learningde Seth Lloyd et Christian Weedbrook, 2018 (5 pages).
On retrouve cette liste d’algorithmes de machine learning en version quantique dans Quantum Machine Learning What Quantum Computing Means to Data Mining de Peter Wittek, 2014 (178 pages).
CĂŽtĂ© sources d’information sur ce sujet, j’ai aussi parcouru Application of Quantum Annealing to Training of Deep Neural Networks. (2015), On the Challenges of Physical Implementations of RBMs, 2014, avec notamment Yoshua Bengio et Ian Goodfellow parmi les auteurs, illustrant l’intĂ©rĂȘt des spĂ©cialistes de l’IA pour le quantique et Quantum Deep Learning, 2014, le tout Ă©tant extrait de Near-Term Applications of Quantum Annealing, 2016, Lockheed Martin (34 slides).
Bon, de lĂ Ă utiliser ces algorithmes dans la robotique comme dĂ©crit dans The Rise of Quantum Robots de Daniel Manzano (avril 2018), il faudra patienter un peu ! Ce n’est plus de la technologie, c’est de la science-fiction.
Algorithmes de simulation quantique
Les algorithmes de simulation quantique servent Ă reproduire dans un ordinateur les phĂ©nomĂšnes de la mĂ©canique quantique qui gouvernement le comportement de quantums dans des ordinateurs traditionnels ou quantiques. Ils seront utilisables en particulier pour simuler l’interaction entre les atomes dans des molĂ©cules pour la crĂ©ation de nouveaux matĂ©riaux. Suivront la simulation des molĂ©cules de la biologie molĂ©culaire, donc, de la chimie organique, allant progressivement des plus petites aux plus grandes des molĂ©cules : acide aminĂ©s, peptides, polypeptides, protĂ©ines et peut-ĂȘtre bien plus tard, de molĂ©cules ultra complexes comme les ribosomes qui fabriquent les protĂ©ines Ă partir des acides aminĂ©s. La constitution et le fonctionnement de ces grosses molĂ©cules font partie des plus grands mystĂšres chimiques de la vie que l’Homme aimerait bien expliquer.
Bref, ces algorithmes ambitionnent de simuler les processus molĂ©culaires qui interviennent dans la nature ou Ă crĂ©er de tels mĂ©canismes artificiels qui n’existent pas encore dans la nature. Cela peut aussi servir Ă faire des simulations “macro” comme celle du fonctionnement de trous noirs ou d’Ă©toiles Ă neutrons en astronomie.
Ces algorithmes s’exĂ©cuteront de maniĂšre la plus performante dans les ordinateurs quantiques universels Ă base de qubits. En attendant, on les exĂ©cute dans des ordinateurs adiabatiques comme ceux de D-Wave voire dans des ordinateur quantiques dits analogiques, sans architectures Ă base de registres de qubits. Comme ces algorithmes visent souvent Ă dĂ©terminer un niveau d’Ă©nergie minimum d’un systĂšme complexe, le systĂšme adiabatique Ă recuit simulĂ© de D-Wave est assez adaptĂ© Ă la tĂąche pour des problĂšmes relativement simples.
A partir de 50 Ă©lectrons dans une molĂ©cule, les ordinateurs classiques ne peuvent plus simuler leur dynamique, ce qui correspond Ă quelques atomes Ă peine. Pour les molĂ©cules simples, les applications relĂšvent de la physique des matĂ©riaux : capture du carbone ou de l’azote, nouvelles batteries, dĂ©couverte de mĂ©canismes supraconducteurs utilisables ensuite dans les scanners mĂ©dicaux, idĂ©alement fonctionnant Ă tempĂ©rature ambiante.
Ceci devrait ĂȘtre accessible avec des ordinateurs quantiques universels dotĂ©s de 50 Ă quelques centaines de qubits de qualitĂ©. Pour les simulations de biologie molĂ©culaire, il faudra probablement attendre bien plus longtemps avant que cela soit possible et disposer d’ordinateur avec des milliers voir des centaines de milliers de qubits. Le schĂ©ma ci-dessous positionne de maniĂšre assez optimiste le nombre de qubits nĂ©cessaires pour simuler le fonctionnement une protĂ©ine des mitochondries, la MRC2. Il est issu de Quantum optimization using variational algorithms on near-term quantum devices, issu de chercheurs d’IBM en 2017 (30 pages).
Voici quelques exemples d’algorithmes de simulation quantique :
- Faster phase estimation de Svore, Hastings et Freedman, 2013 (14 pages) qui est utilisé dans les simulations quantiques de molécules.
- Solving strongly correlated electron models on a quantum computer de Wecker, Troyer, Hastings, Nayak et Clark, 2015 (27 pages), qui utilise les ordinateurs quantiques adiabatiques pour simuler la dynamique des semi-conducteurs.
- Simulated Quantum Computation of Molecular Energies de Wiebe, Wecker et Troyer, 2006 (21 pages) qui porte sur la dĂ©termination de l’Ă©tat d’Ă©quilibre de molĂ©cules simples.
- Simulation of Electronic Structure Hamiltonians Using Quantum Computers de James Whitfield, Jacob Biamonte et Alan Aspuru-Guzik, 2010 (22 pages) qui porte aussi sur la simulation du fonctionnement de molécules simples.
- Un exemple de simulation de molĂ©cule d’hydrure de bĂ©ryllium (3 atomes, BeH2) avec seulement 6 qubits par IBM en 2017 dans Tiny Quantum Computer Simulates Complex Molecules par Katherine Bourzac.
- La simulation de l’Ă©lectrolyse de l’eau provoquĂ©e par de la lumiĂšre avec des usages Ă©vidents pour la production d’Ă©nergie stockable, notamment dans les piles Ă combustible (Ă base d’hydrogĂšne). C’est l’un des trĂšs nombreux exemples issus de la prĂ©sentation Enabling Scientific Discovery in Chemical Sciences on Quantum Computers, dĂ©cembre 2017 (34 slides) par Ber De Jong de Berkeley.
Dans Quantum Computation for Chemistry, 2009 (51 slides), on dĂ©couvre que les caractĂ©ristiques des ordinateurs quantiques nĂ©cessaires pour simuler l’Ă©tat de molĂ©cules organiques de complexitĂ© moyenne telle que le cholestĂ©rol, il faudrait 1500 qubits et surtout, pouvoir enquiller des milliards de portes quantiques, ce qui est actuellement impossible au vu des temps de cohĂ©rence bien trop courts des ordinateurs quantiques existants. Et on parle probablement d’un nombre de qubits logiques et pas physiques. Il faudrait donc probablement aligner des millions de qubits physiques pour pouvoir rĂ©aliser ce genre de simulation.
L’une des applications de la simulation quantique molĂ©culaire est de mieux comprendre le fonctionnement de la photosynthĂšse pour Ă©ventuellement l’amĂ©liorer ou l’imiter, comme ci-dessous avec l’implication des diffĂ©rentes formes de ferrĂ©doxine, des molĂ©cules relativement simples Ă base de fer et de souffre qui servent Ă transporter les Ă©lectrons de l’effet photoĂ©lectrique mis en Ćuvre dans la photosynthĂšse dans les plantes. Les recherches algorithmiques sur la simulation de cette molĂ©cule ont fait passer en quelques annĂ©es la durĂ©e de simulation thĂ©orique quantique de 24 milliards d’annĂ©es Ă une heure !
Matthias Troyer explique comment cet algorithme a Ă©tĂ© optimisĂ© dans What Can We Do with a Quantum Computer (41 slides). Dans le mĂȘme domaine, la simulation de l’enzyme nitrogĂ©nase qui transforme l’azote en ammoniaque dans les cyanobactĂ©ries permettrait de produire des engrais avec beaucoup moins d’Ă©nergie que les processus habituels Haber-Bosch de production de l’ammoniaque qui sont trĂšs consommateurs d’Ă©nergie.
Il y prĂ©sente les bĂ©nĂ©fices d’autres forme d’optimisations, par simplification du modĂšle, pour la simulation de supraconducteurs.
S’il faudra ĂȘtre patient pour voir la couleur de nombre de ces simulations, cela n’empĂȘche pas de nombreux chercheurs d’explorer des moyens de simuler le repliement de protĂ©ines, l’une des tĂąches de simulation de molĂ©cule organique les plus complexes. Voir par exemple Evolution, energy landscapes and the paradoxes of protein folding de Peter Wolynes, 2015 (13 pages).
Le top du top de la simulation molĂ©culaire quantique arrivera probablement bien plus tardivement. Il s’agit de la simulation du repliement des protĂ©ines, une voie clĂ© pour crĂ©er de nouvelles thĂ©rapies diverses, notamment pour traiter certaines pathologie neurodĂ©gĂ©nĂ©ratives ou divers cancers. DiffĂ©rents algorithmes quantiques ont dĂ©jĂ Ă©tĂ© crĂ©Ă©s pour ce faire et notamment celui de Aspuru-Guzik de Harvard en 2012, qui a mĂȘme Ă©tĂ© testĂ© Ă petite Ă©chelle sur le premier ordinateur quantique adiabatique, le D-Wave One. Reste Ă Ă©valuer les ordres de grandeur des ordinateurs quantiques nĂ©cessaires pour rĂ©soudre ces problĂšmes de chimie organique. Il n’est pas impossible qu’ils relĂšvent de l’impossible ou de l’extrĂȘme long-terme !
Pour en savoir plus, voir Quantum Information and Computation for Chemistry, 2016 (60 pages), qui inventorie trĂšs bien les divers travaux algorithmiques de simulation quantique de chimie organique.
Equations linéaires
Enfin, de nombreux autres algorithmes quantiques existent qui permettent de rĂ©aliser des opĂ©rations mathĂ©matiques complexes comme la rĂ©solution d’Ă©quations diffĂ©rentielles, l’inversion de matrices ou le traitement de divers problĂšmes d’algĂšbre linĂ©aire. Ils sont ensuite utilisĂ©s… ailleurs ! L’algorithme le plus connu est le HHL qui reprend le nom de ses crĂ©ateurs Harrow, Hassidim et Lloyd, crĂ©Ă© en 2009 et qui qui permet de rĂ©soudre des Ă©quations linĂ©aires, avec un gain de performance exponentiel.
Pour conclure, j’ai consolidĂ© le petit schĂ©ma ci-dessous qui rĂ©sume les gains de performance de quelques-uns des algorithmes dĂ©terministes que nous venons de voir. Les niveaux de complexitĂ© (exponentielle, polynomiale, linĂ©aire, …) sont gĂ©nĂ©riques. Les niveaux prĂ©cis de complexitĂ© de chaque algorithme sont associĂ©s Ă ces classes de maniĂšre approximative. Ainsi, N*log(N) qui est la complexitĂ© d’une transformĂ©e de Fourier classique est linĂ©aire car N grandit bien plus vite que log(N) et log(N) puissance 3 est une complexitĂ© de niveau logarithmique (pour l’algorithme de Shor et une QFT, Quantum Fourier Transform).
L’idĂ©al en gains de performances est traverser plusieurs classes de complexitĂ©, et surtout, Ă partir d’un problĂšme exponentiel. Dans la pratique, les principaux algorithmes sautent une Ă deux classes de complexitĂ© mais pas forcĂ©ment Ă partir de la classe des problĂšmes exponentiels. Mais mon schĂ©ma est trompeur. N peut aussi croitre de maniĂšre exponentielle selon la taille d’un problĂšme. L’exemple classique est celui de l’algorithme de Shor. Le point de dĂ©part est un N qui est en fait une taille de clĂ© RSA qui elle-mĂȘme est Ă©valuĂ©e en puissance de 2. Une clĂ© de 1024 bits fait 2 puissance 1024. Si on passe de 2 puissance 256 Ă 2 puissance 1024, la croissance de la taille de la clĂ© est exponentielle. Et lĂ , on obtient donc avec l’algorithme de Shor un gain de performance exponentiel en passant d’une racine carrĂ©e de 2 puissance 1024 Ă un log de 2 puissance 1024.
L’algorithme de Deutsch-Jozsa a la particularitĂ© de traverser tous les niveaux de complexitĂ© mais nous avons vu qu’il n’avait malheureusement pas d’application pratique connue. Il faut aussi intĂ©grer le fait que la complexitĂ© de certains problĂšmes peut ĂȘtre contournĂ©e avec des approches probabilistes qui permettent aussi de rĂ©duire de un ou plusieurs Ă©tages le niveau de complexitĂ© de problĂšmes exponentiels. Bref, les algorithmes quantiques sont sĂ©duisants mais ils ne sont pas pour autant toujours la panacĂ©e.
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Dans la prochaine partie, nous Ă©tudierons justement la question des diffĂ©rents niveaux de complexitĂ© des problĂšmes qui peuvent ĂȘtre rĂ©solus par les ordinateurs classiques et quantiques et aussi ceux qui ne peuvent pas l’ĂȘtre par ces derniers. Cela remettra l’Homme dans sa posture classique : toujours Ă la recherche du savoir absolu, mais Ă©ternellement bloquĂ© par de nouvelles barriĂšres Ă surmonter.
L’expert:
Olivier Ezratty est consultant en nouvelles technologies et auteur d’Opinions Libres, un blog sur les mĂ©dias numĂ©riques (TV numĂ©rique, cinĂ©ma numĂ©rique, photo numĂ©rique), et sur l’entrepreneuriat (innovation, marketing, politiques publiques…). Olivier est expert pour FrenchWeb.
Trois profils ont Ă©tĂ© retenus par Orange pour succĂ©der Ă StĂ©phane Richard, condamnĂ© en novembre dans l’affaire Tapie/CrĂ©dit Lyonnais, au poste de directeur gĂ©nĂ©ral, a-t-on appris vendredi auprĂšs de sources proches du dossier, confirmant une information du quotidien LibĂ©ration.
Ramon Fernandez, directeur gĂ©nĂ©ral dĂ©lĂ©guĂ© d’Orange, Christel Heydemann, prĂ©sidente de Schneider Electric France et membre du conseil d’administration d’Orange, et Frank Boulben, responsable des ventes de l’opĂ©rateur amĂ©ricain Verizon, ont Ă©tĂ© retenus par le comitĂ© de sĂ©lection interne du groupe. A la tĂȘte de l’opĂ©rateur historique depuis 2011, StĂ©phane Richard, qui cumule les postes de prĂ©sident et directeur gĂ©nĂ©ral, doit quitter ses fonctions au 31 janvier au plus tard, alors que son mandat courait jusqu’Ă mi-2022.
Cette pĂ©riode de quelques semaines doit laisser le temps de sĂ©lectionner les candidats pour prendre son relais et acter la mise en place de la nouvelle gouvernance de l’entreprise, sur laquelle l’Etat, premier actionnaire avec plus de 20% du capital, a son mot Ă dire. Un scĂ©nario Ă©tudiĂ© depuis plusieurs mois est quasi certain: la dissociation des fonctions de prĂ©sident et directeur gĂ©nĂ©ral pour le prochain mandat. Plusieurs groupes dont l’Etat est actionnaire ont mis en place une telle gouvernance, comme Renault, aprĂšs le dĂ©part de Carlos Ghosn, ou Engie, oĂč GĂ©rard Mestrallet est passĂ© en 2016 de PDG Ă prĂ©sident non exĂ©cutif.
« D’autres profils » recherchĂ©s
Selon plusieurs mĂ©dias, cette liste de trois candidats n’emballerait toutefois ni Bercy, ni l’ElysĂ©e qui pourraient demander Ă chercher « d’autres profils » et repousser la date butoir du 31 janvier. Ce qui permettrait Ă StĂ©phane Richard de rester en poste quelques semaines de plus. ContactĂ© par l’AFP, Bercy n’a pas fait de commentaires sur ce sujet.
PrĂ©sent dans 26 pays dans le monde, Orange est un mastodonte qui emploie plus 140 000 salariĂ©s, dont plus de 80 000 en France, et a rĂ©alisĂ© un chiffre d’affaires de 42,27 milliards d’euros en 2020. StĂ©phane Richard, Ă l’Ă©poque directeur de cabinet de la ministre de l’Economie Christine Lagarde, a Ă©tĂ© reconnu coupable en novembre de complicitĂ© de dĂ©tournement de biens publics dans l’affaire de l’arbitrage controversĂ© rendu en 2008 entre l’homme d’affaires Bernard Tapie, depuis dĂ©cĂ©dĂ©, et le CrĂ©dit Lyonnais.
[Serie E] 254 millions d’euros de plus pour la solution de paie en ligne Payfit
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FondĂ©e en 2016, la startup spĂ©cialisĂ©e dans la gestion de la paie en ligne pour les PME vient de finaliser une 6Ăšme levĂ©e de fonds d’un montant de 254 millions d’euros, 9 mois aprĂšs avoir enregistrĂ© un tour de table de 90 millions d’euros.
Payfit profite du fort dynamisme du capital risque mondial et le dĂ©ploiement en europe de nombreux fonds Ă©trangers qui accĂ©lĂšrent leurs prises de participations notamment sur les startups en phase de croissance. Une opportunitĂ© que n’a pas manquĂ© de saisir les fondateurs de la sociĂ©tĂ© en accueillant un nouvel actionnaire avec General Atlantic qui mĂšne ce tour et fait s’envoler la valorisation de la sociĂ©tĂ© Ă plus de 1,82 milliard d’euros.
La sociĂ©tĂ© qui a levĂ©e 433 millions d’euros depuis sa crĂ©ation, compte parmi ses actionnaires Eurazeo, Bpifrance via son fonds Large Venture, Accel, Frst, Xavier Niel, Oleg Tscheltzoff, ou encore Thibaud ElziĂšre
PayFit propose aux TPE et PME d’automatiser la gestion de la paie et la gestion administrative de leur personnel (dĂ©clarations sociales, congĂ©s, absences, notes de frais, suivi du temps de travail, intĂ©gration des nouveaux employĂ©s).
Avant de nouveaux développements internationaux, la scale up ambitionne de renforcer ses parts de marché en France, en Espagne, en Allemagne, au Royaume-Uni et en Italie.
La stratĂ©gie de l’entreprise est privilĂ©gier le renforcement de son offre de services et d’augmenter son chiffre d’affaires sur sa base client actuelle de 6000 clients TPE et PME. Parmi les nouveaux outils Payfit devrait proposer prochainement la gestion des entretiens annuels, ainsi que celle des notes de frais, ou encore un service d’avance sur salaire.
Pour assurer son développement Payfit doit recruter rapidement plus de 400 nouveaux collaborateurs, qui vont venir renforcer le 700 salariés actuels de la société. La société compte sur le télétravail et embaucher dans toute la France ses nouveaux salariés pour faire face à la tension du marché du travail en Ile de France.
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