Please enable JavaScript.
Coggle requires JavaScript to display documents.
QUANTIQUE - Coggle Diagram
QUANTIQUE
Principes fondamentaux
de la Mécanique quantique qui s'appliquent aux particules quantiques appelées Qubits.
SUPERPOSITION
01
Un QUBIT peut placer l’information quantique qu’il contient dans un état de superposition, qui représente une combinaison de toutes les configurations possibles du QUBIT.
02
Les groupes de qubits en superposition peuvent créer des espaces de calcul complexes et multidimensionnels.
=> Les problèmes complexes peuvent être représentés d’une nouvelle manière dans ces espaces.
03
Quand un système quantique est mesuré => son état passe d’une superposition de possibilités à un état binaire, qui peut être enregistré comme un code binaire sous la forme d’un 0 ou d’un 1.
INTERFERENCE
-
02
Environnement de qubits placés dans un état de superposition collective => structure l’information d’une manière qui ressemble à des vagues, avec des amplitudes associées à chaque résultat.
- chaque amplitude = probabilité des résultats d’une mesure du système
- vagues peuvent se renforcer mutuellement lorsque plusieurs d’entre elles atteignent un résultat particulier = > AMPLIFICATION d'une probabilité
- vagues peuvent s’annuler mutuellement lorsque les pics et les creux interagissent => ANNULATION d'une probabilité
=> Amplification et annulation sont des interférences
INTRICATION
-
02
Les systèmes intriqués sont si intrinsèquement liés que:
=> qd processeurs quantiques mesurent un seul qubit intriqué, ils peuvent immédiatement déterminer des informations sur d’autres qubits du système intriqué.
DECOHERENCE
01
Décohérence = processus par lequel un système à l’état quantique s’effondre pour passer à un état non quantique.
02
- peut être déclenchée intentionnellement en mesurant un système quantique ou
- par d’autres facteurs environnementaux
=> Il faut minimiser la décohérence
Idée générales:
- les objets qui peuvent être mesurés comme ayant des états définis (les qubits en superposition avec leurs amplitudes de probabilité) se comportent de manière aléatoire
- des objets éloignés (en l’occurrence, des qubits intriqués) peuvent se comporter de manière fortement corrélée, bien que leur comportement individuel reste aléatoire
Calcul sur un ordinateur quantique =
- préparation d’une superposition d’états de calcul.
- circuit quantique (défini par l’utilisateur) applique des opérations pour:
=> intriquer les qubits et
=> générer des schémas d’interférence, conformément à un algorithme quantique.
Résultat = De nombreux résultats possibles sont annulés par les interférences, tandis que d’autres sont amplifiés. => Les résultats amplifiés sont les solutions du calcul.
Problématique
Limite:
La moindre perturbation altère l'état des qubits.
Ex: chaleur => décohérence:
- Bit flip = inversion des bits (opération X)
- Phase flip = inversion du signe devant Bêta (triple =)
- Depolarisation = annule alpha et bêta.
Objectifs antithétiques:
- qubits très isolés de leur environnement MAIS
- qubits avec lesquels je peux interagir malgré tout pour initialiser, mesurer leurs états.
Critères de comparaison
Quantité de qubits (logiques) contrôlés:
(contrôler un qubit = amener un qubit à conserver, modifier et lire des unités individuelles d'informations quantiques
Supra (10^3) = Atomes neutres (10^3)
Temps de cohérence:
Combien de temps s'écoule avant qu'il n'y ait décohérence ou altération de l'état du qubit (= durée de vie du qubit)?
Supra (10-4 à 10-5 sec) < Atomes neutres (10-3 à 1 sec)
-
Source de Qubit Artificielle ou Naturelle:
Quand les qubits sont artificiels , ils peuvent être différents => plus instable.
Supra (artificiel) - Atomes neutres (naturel)
Connectivité:
Est-ce que la portée d'interactions est grande?
Supra (plus proche voisin) < Atomes neutres (réseau large)
Reconfigurabilité:
Capacité à modifier la localisation des qubits les uns par rapport aux autres.
Supra (Non-carte électronique) < Atomes neutres (pattern modifiable)
Nerf de la guerre = Diminution du bruit pour limiter la décohérence.
=> code correcteur du bruit est une grande piste de développement
-
-
Qubits physiques intriqués => forment un qubit logique.
Taille d'un système est énoncée en Qubit physiques si pas précisé.
Etat de l'art aujourd'hui: 1000 Qubits physiques.
Avantages qubit logiques:
- j'obtiens de l'information sur mes erreurs (sur 5 cubiques physiques, je n'en mesure que 2 qui donnent de l'information sur les 3 autres)
- erreur résiduelle est bcp plus faible que qubit physique
- plus le qubit logique contient de qubits physiques, plus l'erreur résiduelle diminue
Choix de la solution:
- si pb s'y prête => approche analogique avec atomes neutres
- sinon, approche digitale (supraconducteurs) avec algorithme pas trop profond.
Possibilité modèles hybrides, par exemple pour ML:
- détermination des paramètres par QPU
- descente de gradient par CPU.
MAIS l'utilisation en production nécessite le QPU.
Applications
Futurs cas d'usage
Chimie / Pharmacie:
- Design de catalyse (Nitrogenase)
- R&D pharmaceutique (médicament)
- Bio-info => Génomique
- Diag patients
Finance / Assurance:
- optimisation de portefeuille
- Scoring de crédit
- Analyse de risque
- Détection de fraude
- Simulation de marché
- Stratégies de trading
- Estimation de prix d'assets
Industrie manufacturière:
- Logistique (planification, distribution, etc.)
- Automobile (simulation d'embouteillage, station de recharge électrique, voiture autonome)
- Matériaux: batteries (catalyseurs efficaces => autre type d'ions), recherche sur les cellules de batteries, sur les cellules solaires, sur les OLEDS (diode électroluminescente d'origine organique)
- Aérodynamique et résolution de l'équation de Navier-Stokes (pour l'instant approximée)
Energie:
- design de réseau
- distribution d'énergie (élec notamment) => Smart Grid d'EDF
- optimiation de puits
Idée générale:
les domaines qui utilisent déjà les HPC (High Performance Computing), comme par exemple PANGEA, seront accélérés avec le quantique.
Cryptographie
Principales Fonctions cryptographiques:
- Echange de clés (EC)
- Chiffrement des données (Ch)
- Signature Digitale (S)
Familles de primitives de chiffrement:
- Fonctions de HACHAGE
- Cryptographie SYMETRIQUE
- Cryptographie ASYMETRIQUE
Lien Primitives - Fonction:
- Fonction HACHAGE => Signature Digitale (S)
- Crypto SYMETRIQUE => Chiffrement des données (Ch)
- Crypto ASYMETRIQUE => (S) / ((Ch)) / Echange de Clés (EC)
Impact from Large-Scale QC (Quantum Computing) on ALGORITHMS
(primitives crypto):
- RSA / ECDS, ECDH / DSA = Crypto ASYMETRIQUE => NO LONGER SECURE
- AES-256 = Crypto SYMETRIQUE => LARGER KEY SIZES NEEDED
- SHA2, SHA3 = Fonction de HACHAGE => LARGER OUTPUT NEEDED
2 réponses à la MENACE quantique:
- Cryptographie POST-QUANTIQUE (PQC = Post-Quantum Crypto)
- Cryptographie QUANTIQUE (QKD = Quantum Key Distribution)
PQC = Post-Quantum Cryptography:
- Ce n'est pas du quantique
- concerne la crypto ASYMETRIQUE
- Ce sont de nouveaux algo RESISTANT au quantique => fondés sur un pb de math qui n'est pas BQP (Bouded error, Quantum, Polynomial time) => Pb de Lattice.
ATTENTION: PQC nécessite:
- Plus de mémoire (espace)
- plus de processing (temps)
=> Passer au PQC si données doivent être secure sur de nombreuses années.
QKD = Quantum Key Distribution
- Nécessite un canal quantique spécifique pour échange de clés
- Idée = créer un canal d'échange de clés
- A envoie à B des photons polarisés un à un pour encoder une séquence de 0 et 1 aléatoire (ex: horizontal = 0 / vertical = 1) et B fait de même
- Selon la théorie quantique, un espion, par sa présence, altère la polarisation des photons en transit ds le canal quantique
DONC:
- A&B à la fin de l'échange, échangent publiquement leurs bases.
- ils déchiffrent ce qu'ils ont reçu, ne gardent que les bits en base commune, puis comparent un échantillon.
=> si différence => STOP, MIM. Sinon OK, et une clé est dérivée de leurs clés privées pour chiffre les messages dans le canal standard.
ATTENTION, QKD nécessite:
- Hardware spécifique = source de photon unique / Fibre optique dédiée / détecteur de photon unique
- Limitations liées à la distance (atténuation linéaire du signal): 50-100km pour BB84.
=> solutions = passer ds l'espace où il n'y a pas d'atténuation.
=> ANSSI recommande QKD pour applications de niche type centrale nucléaire / comm entre chefs d'état / etc.
Qui travaille sur QKD?
- Thalès (Toulouse)
- Toshiba (UK) pour secteur bancaire
- ID Quantique (Suisse) => QRNG.
QRNG = Quantum Random Numeric Generator
=> Generateur de nombres aléatoires quantiques
=> 100% aléatoire car le résultat dépend du moment de la mesure où le photon a une probabilité P(0) et un probabilité P(1) tels que P(0)+P(1)=1.
=> utilisé par exemple dans protocole SSL/TLS pour génération clés publiques par serveur.
-