Alors que Covid-19 a dévasté les plans les mieux intentionnés de 2020, le «19» dans son nom nous rappelle que ce virus gênant est né quelque temps en 2019. Deux mois seulement avant les premiers cas signalés du nouveau coronavirus était un annonce scientifique majeure, presque noyée maintenant par le bourdonnement constant des nouvelles liées à la pandémie. Cette annonce était de Suprématie quantique, un exploit revendiqué par Google sur leur ordinateur quantique Sycamore. 

La percée a soulevé de nombreuses questions dans le grand public. De toute évidence, qu'est-ce que la "suprématie quantique" ? Une autre question concerne l'existence des ordinateurs quantiques eux-mêmes. Que sont-ils? Sont ils réels"? 

Je vais m'abstenir de répondre à ces questions pendant un moment. Il n'y a rien de mal à un peu de suspense. En même temps, cela me donne l'opportunité de planter le décor d'une manière différente, en me concentrant sur quelques développements scientifiques historiques qui nous ont conduits ici. À la fin de cette note, je réfléchirai aux contributions du Canada au grand défi de l'innovation quantique et à la manière dont nous pouvons conserver une longueur d'avance. 

Au commencement, il y avait la mécanique quantique 

La mécanique quantique est une tour de force chapitre de l'histoire des sciences. En moins de 30 ans dans la première moitié du 20th Siècle, les physiciens sont passés des premières idées d'une nouvelle théorie à un système robuste et bien étoffé de règles mathématiques à travers lequel nous voyons maintenant le comportement de la matière à la plus petite des échelles de longueur. Pourtant, le célèbre physicien Richard Feynman a encore plaisanté : « Je pense que je peux dire en toute sécurité que personne ne comprend vraiment la mécanique quantique. Cela n'a empêché personne de l'utiliser, heureusement. J'aime interpréter son commentaire de la manière la plus positive possible : que la science quantique a bien plus de cadeaux à nous offrir que nous ne pouvons le prédire. 

Comme toute bonne science, la mécanique quantique était une solution à un problème. Nouveaux et meilleurs appareils de laboratoire à la fin du 19th et au début 20th des siècles ont ouvert la voie à de nouvelles expériences, celles qui ont pu scruter pour la première fois la structure interne de la matière. Les résultats de certaines de ces expériences ont défié le bon sens scientifique. Il est certain qu'un faisceau d'électrons tiré directement sur une bande de matériau solide entre deux ouvertures étroitement espacées sera repoussé par le matériau et ne passera pas de l'autre côté. Les expériences ont cependant révélé le contraire, le faisceau se résolvant sur un mur de l'autre côté. Ce qui doit être, c'est que les électrons se comportent non seulement comme des particules mais aussi comme des ondes, qui peuvent se disperser et envoyer leur énergie à travers les fentes. Si la matière subatomique et les ondes sont indiscernables, cela signifie que la position d'une particule subatomique n'est qu'un 

une probabilité plutôt qu'une certitude. Avec de telles considérations à l'esprit, la mécanique quantique est née.  

La mécanique quantique a-t-elle affecté notre vie quotidienne ? Certainement. Ce que l'on pourrait appeler "Quantum 1.0" est la première vague de technologies influencées par ces idées. Quantum 1.0 est tout autour de nous, fonctionnant à la vue de tous depuis des décennies. Ses dispositifs comprennent non seulement des composants de base tels que des transistors, mais également des inventions vitales telles que des appareils IRM, qui dépendent de manière cruciale de la propriété de mécanique quantique de tourner.  

L'écriture de Quantum 1.0 s'accompagne de la promesse évidente de Quantum 2.0, qui est le véritable sujet de cet article. Tout comme décider du début et de la fin de ces époques est un jeu quelque peu arbitraire, il en va de même pour décider quelles technologies font définitivement partie de la 2.0 et non de la 1.0. Je voudrais prendre position ici, coupant le bruit de tant d'innovations pour isoler deux choses qui, selon moi, mettent en mouvement Quantum 2.0 : l'informatique quantique et les matériaux quantiques.  

Informatique quantique  

Nous devons d'abord parler de celui-ci. S'il y a une figure emblématique de la révolution quantique naissante, c'est bien l'ordinateur quantique. C'est un exploit d'ingénierie impressionnant et peut-être l'une des choses les plus audacieuses auxquelles l'humanité ait mis son esprit collectif : contrôler le destin d'électrons probabilistes individuels suffisamment pour produire des résultats raisonnables interprétables comme des "réponses" aux calculs, mais en même temps. tirer parti de leur nature intrinsèquement imprévisible pour explorer simultanément une vaste gamme de résultats possibles. 

Un ordinateur traditionnel est basé sur des commutateurs qui occupent un état "off" ou "on", de manière équivalente un "0" ou "1", à un moment donné. Un tel interrupteur peut résulter de façon simple d'un différentiel de tension (au-delà d'un certain seuil, la valeur est "1") ou être réalisé comme un circuit intégré "bascule" pouvant être forcé dans un état ou un autre, qui en et est en soi un appareil Quantum 1.0. Ces circuits sont précieux car nous avons un degré de confiance extrêmement élevé sur l'état à un moment donné. Sous sa surface, cependant, se trouvent des blocs de matière qui ont leur propre nature d'interrupteur - par exemple, un électron avec Tournoiement en haut or tourner vers le bas — mais qui sont soumis à l'incertitude de la mécanique quantique. Nous pourrions dire que l'électron occupe les deux états simultanément avec une certaine probabilité pour chacun.  

Contrôler un électron individuel est un travail incroyablement difficile, nécessitant une configuration expérimentale qui est sur-refroidie à des températures à peine supérieures au zéro absolu. Pourquoi essayer d'en transformer un en interrupteur quand on a des circuits macroscopiques qui fonctionnent parfaitement bien ? Pourquoi troquer la confiance contre l'incertitude ? D'un point de vue informatique, un électron dans un 

la superposition de deux états revient à dire que deux calculs peuvent se produire à la fois - le calcul qui résulterait de la sélection de 0 et celui qui résulterait de la sélection de 1. Si vous parvenez à exploiter deux électrons, vous pouvez effectuer 4 calculs à la fois (00, 01, 10 et 11). Et donc ça va comme ça, de façon exponentielle. 

Étant donné que les interrupteurs classiques sont appelés les bits, la coutume est d'appeler leurs homologues quantiques qubits. Il existe différents modèles de réalisations physiques de qubits, y compris des qubits supraconducteurs tels que le transmon type trouvé dans les ordinateurs quantiques "IBM Q" d'IBM - et oui, les ordinateurs quantiques sont là et ils sont réels, même s'ils sont toujours considérés comme des prototypes.  

L'accélération possible avec les qubits est importante pour tout problème dans lequel nous devons sélectionner le meilleur résultat parmi une vaste étendue de possibilités. Un de ces problèmes consiste à factoriser un entier extrêmement grand en ses facteurs premiers. C'est exactement ce que l'ordinateur quantique Sycamore de 53 qubits de Google a réalisé en 2019. Cela a d'immenses implications pour la sécurité informatique, qui dépend actuellement de notre incapacité à factoriser rapidement de tels nombres premiers sur des ordinateurs classiques. Ce que même les ordinateurs classiques les plus puissants auraient mis 10,000 3 ans à faire, Sycamore a pu le faire en un peu plus de XNUMX minutes : c'est la suprématie quantique. 

Bien que l'exploit suscite des craintes bien justifiées concernant les «attaques quantiques» contre lesquelles nos normes actuelles de cryptographie n'ont aucune chance, nous ne vivons pas encore dans un monde où le pirate informatique moyen dispose d'un réseau refroidi cryogéniquement de 50 qubits ou plus assis dans leur sous-sol. En attendant, nous pouvons envisager d'autres problèmes pour lesquels l'informatique quantique est parfaitement adaptée. Celui qui semble très proche de chez nous en ce moment est le développement de vaccins. Au cœur de ce problème se trouve le repliement des protéines. Une protéine individuelle consiste en un arrangement d'acides aminés liés ensemble. On veut déterminer la configuration qui minimise l'énergie de la protéine, qui est sa « structure native ». Étant donné le grand nombre de configurations possibles dans l'espace tridimensionnel (une chaîne protéique de 100 acides aminés a environ 10^47 configurations), le problème est un cauchemar classique. Mais c'est exactement le genre de problème que les ordinateurs quantiques trouvent facile. Étant donné que les structures protéiques jouent un rôle central dans la conception des antigènes et des vaccins, il semblerait que les ordinateurs quantiques aient un rôle à jouer dans la résolution rapide des pandémies. 

Matériaux quantiques 

Les ordinateurs quantiques ont besoin d'ingrédients quantiques. En particulier, la production d'une technologie informatique quantique facilement déployable et commercialement viable nécessitera des matériaux dotés de propriétés physiques robustes, telles qu'une conductivité électrique avec peu ou pas de variation malgré des conditions de fonctionnement extrêmes. Il existe de nouvelles phases de la matière, les soi-disant matériaux topologiques, qui se comportent de cette manière et dont la théorie 

prédiction a reçu un prix Nobel de physique en 2016. Aujourd'hui, des centaines d'exemples de ces matériaux sont connus. Le « topologique » dans leur nom est un clin d'œil aux mathématiques qui se cachent dans les coulisses de cette découverte étonnante. topologie est la branche des mathématiques concernée par les propriétés géométriques qui sont préservées lorsque nous étirons et déformons des objets. L'illustration désormais obligatoire de la topologie est que, aux yeux d'un topologue, il n'y a pas de différence entre un beignet et une tasse de café. Ils partagent une caractéristique topologique essentielle, qui est le trou du beignet (de manière équivalente, le trou dans la poignée de la tasse).  

Comment et pourquoi la topologie entre-t-elle dans le monde de la conductivité ? Il est raisonnable de modéliser la conductivité comme le saut d'électrons d'un site à un autre dans la structure cristalline microscopique d'un matériau, en particulier aux températures super froides impliquées dans l'informatique quantique. Ces électrons et les équations de la mécanique quantique qui les régissent donnent naissance à une surface géométrique, constituée de tous les niveaux d'énergie admissibles que les électrons peuvent occuper. Il s'avère que, pour certains matériaux, la topologie de cette surface contrôle la conductivité de l'ensemble du matériau. Tant que la topologie est protégée, c'est-à-dire tant qu'on ne fait pas de trou dans cette surface quantique, la conductivité est robuste et parfaitement maîtrisée. La plupart des défauts dans l'ingénierie physique extérieure du matériau n'ont aucun effet ici, ce qui rend ces matériaux incroyablement souhaitables pour les applications sensibles. (Incidemment, le comité du prix Nobel a tenté de le démontrer sur scène en déchirant des pâtisseries.) 

Les matériaux topologiques ne sont qu'un exemple d'une classe plus large de matériaux quantiques avec de nouveaux comportements émergeant d'effets véritablement quantiques en leur sein. Ces matériaux conduisent rapidement à de nouveaux modèles de dispositifs de stockage de données et d'imagerie médicale, en plus d'offrir de nouvelles possibilités pour cultiver des qubits stables.  

Bâtir un Canada quantique 

Avec tant de choses qui se passent dans le domaine de la technologie quantique, nous devrions nous demander : combien de choses se passent ici au Canada ? 

La réponse est beaucoup. Le Canada abrite un nombre toujours croissant d'entreprises établies, de start-ups et d'instituts de recherche, tous axés principalement sur la science quantique ou le développement de la technologie quantique. Compiler une liste exhaustive n'est pas facile et on est obligé de laisser de côté les noms importants. S'en tenir donc à quelques-uns, il serait impossible de ne pas mentionner D-Wave Systems, basé à Burnaby, en Colombie-Britannique, la première entreprise au monde à fabriquer des ordinateurs quantiques commerciaux. Avec l'essor de l'informatique quantique, la programmation quantique s'est imposée. Les sociétés de logiciels quantiques telles que 1QBit de Vancouver sont en tête du peloton ici. Sur le plan universitaire, le Canada bénéficie de la présence de l'Institute for Quantum Computing de l'Université de Waterloo, de l'Institute for Quantum Science and Technology de l'Université de Calgary, 

et le tout nouveau Quantum Algorithms Institute de l'Université Simon Fraser, ainsi que plusieurs autres instituts et centres axés sur la technologie, l'informatique et l'information quantiques. Le Stuart Blusson Quantum Matter Institute de l'Université de la Colombie-Britannique représente le leadership du Canada dans le développement de matériaux quantiques, et d'autres étincelles brillantes se profilent à l'horizon en raison du récent investissement du Pacific Institute for Mathematical Sciences dans la topologie quantique dans les provinces des Prairies. 

Cette effervescence fait du Canada un prétendant incontestable au titre de « pays quantique ». Comment allons-nous maintenir l'élan dans cette direction et éviter la stagnation alors que d'autres pays renforcent leur infrastructure quantique ? Voici deux pensées : 

1. Interactions entre l'industrie et le milieu universitaire 

Tout d'abord, ces interactions doivent exister. Une fois qu'ils sont en mouvement, ils doivent être authentiques, substantiels et soutenus. Ces collaborations seront le moteur d'une innovation quantique généralisée au Canada. Le problème de favoriser ces interactions est une incompatibilité fondamentale dans le fonctionnement de ces sphères. Les entreprises recherchent des produits, mieux encore, des produits que les gens achèteront. Les universitaires recherchent des résultats publiables – mieux encore, ceux que les gens citent. Ces types de collaborations doivent être encouragés, en particulier au sein du milieu universitaire. Les universitaires travaillant avec des entreprises quantiques ont besoin que ces collaborations soient à égalité avec l'édition, en ce qui concerne la permanence et la promotion.  

Cela ne veut pas dire que ces interactions ne se produisent pas. Ils le sont certainement. Mais ils peuvent se produire beaucoup plus souvent et beaucoup plus régulièrement. L'infrastructure partagée est un autre catalyseur de ces interactions. Un excellent modèle est le Chicago Quantum Exchange, récemment créé, un partenariat entre quatre universités, deux laboratoires gouvernementaux et un certain nombre de partenaires industriels, impliquant plus de 100 chercheurs au moment de la rédaction. Il n'y a aucune raison pour que ce modèle ne puisse pas être mis en œuvre dans plusieurs régions du Canada. 

2. Formation quantique 

Il va sans dire que le développement de la technologie quantique nécessite des travailleurs prêts pour le quantique. Qui emploie les entreprises quantiques d'aujourd'hui ? Ces entreprises attirent des personnes hautement qualifiées : mathématiciens, physiciens, chimistes, informaticiens, ingénieurs électriciens et nanométriques, biologistes. Un grand nombre de ces travailleurs possèdent des doctorats, obtenus au Canada ou à l'étranger. S'ils ont de la chance, ils peuvent avoir été directement exposés à l'informatique quantique ou à d'autres technologies quantiques au cours de leurs études. Beaucoup n'auront pas, cependant. Beaucoup d'entre eux entreront sur le marché du travail industriel après leur diplôme terminal ou un stage postdoctoral et seront embauchés dans des start-ups technologiques par des open-des recruteurs et des chefs de projet attentifs, souvent après une formation de recyclage via un bootcamp Python ou d'apprentissage automatique, etc. Même après avoir été embauché, il y a probablement beaucoup plus de recyclage impliqué - après tout, l'informatique quantique concerne autant la réfrigération que les mathématiques et quantique mécanique. 

Il n'y a pas si longtemps, il n'y avait pas de diplôme en informatique. Il est juste de dire que, dans la plupart des cas, l'émergence de la technologie informatique classique a précédé l'existence des programmes d'informatique. Beaucoup de ces programmes ont été issus de programmes de mathématiques et d'ingénierie (et aujourd'hui des programmes de mathématiques nains et des programmes d'ingénierie rivaux pour les étudiants). 

Les programmes d'études axés sur l'informatique quantique ou la technologie quantique pourraient-ils commencer à trouver leur place ? Je peux imaginer des cris qu'on ne peut ou ne doit rien apprendre quantum sans une base solide dans d'autres disciplines d'abord ou qu'un diplôme de premier cycle autour de la technologie quantique est soit trop mal défini ou trop ciblé, paradoxalement. Je parie qu'il y a quelque temps, il y a eu des protestations similaires autour des programmes informatiques émergents. 

Cela me donne une nouvelle occasion de prendre position : je crois que ces nouveaux 21 audacieuxst La programmation académique du siècle est inévitable. En plus de produire des travailleurs prêts pour le quantum, la formation quantique initiera les étudiants à de nouvelles façons de penser qui pourraient déclencher des innovations que nous ne pouvons pas encore prédire, de la même manière que l'informatique a ouvert la voie aux statistiques computationnelles et, par la suite, à l'intelligence artificielle. et l'apprentissage automatique.  

Il n'y a pas de meilleur moment que de commencer maintenant. Alors que l'étude des matériaux quantiques est encore mieux abordée avec une formation préalable en physique, l'informatique quantique et le sujet connexe de l'information quantique reposent sur des principes axiomatiques fermes et sont des sujets bien étoffés qui peuvent être enseignés à partir de zéro. et dans une perspective interdisciplinaire. 

Encore une fois, cela ne veut pas dire que les possibilités de formation n'existent pas. Au Canada, l'Institut d'informatique quantique offre des études supérieures spécialisées en informatique quantique. Le tout nouveau Quantum Algorithms Institute à Simon Fraser devrait également accueillir un programme d'études supérieures en informatique quantique. Du côté américain, le Chicago Quantum Exchange est un autre excellent exemple, avec des diplômes de premier cycle et des cycles supérieurs en information quantique de l'Université de Chicago et la première maîtrise américaine en informatique quantique délivrée par l'Université du Wisconsin-Madison. La Bourse propose également des programmes de certificat en ingénierie et technologie quantiques. J'aimerais que ces programmes se généralisent au Canada et que la formation quantique commence sérieusement au premier cycle, sinon plus tôt. Si les mathématiques de l'Ontario Le programme a été récemment mis à jour afin que les élèves soient initiés aux idées de base sur le codage en 1re année (bravo, au fait !), alors pourquoi ne pas les encourager à explorer les idées de base sur le codage quantique en 10e année ? UN quantique, s'il doit être un agent d'autonomisation pour tous, doit commencer dans la salle de classe. 

Ce qui est certain, c'est que nous sommes aux tout premiers jours d'une révolution quantique, qui promet des technologies perturbatrices et potentiellement salvatrices. Ce dont je veux être certain, c'est que le Canada continuera d'être un chef de file sur ce front, propulsé par une collaboration soutenue entre les universités, l'industrie et le gouvernement, et que nous produirons une génération dotée de la pensée quantique nécessaire pour tirer le meilleur parti de ces nouveautés. Je crois que la pensée quantique - semblable à la façon dont elle converge rapidement vers le vaccin gagnant parmi une vaste gamme de possibilités - sélectionnera rapidement pour nous l'avenir le meilleur et le plus brillant. Prenons donc les mesures audacieuses nécessaires pour habiliter la génération quantique dans ce pays.