La technologie la plus chère au monde

Les ordinateurs quantiques sont la technologie la plus chère au monde. Je me contente de dire que leur succès est une mesure directe de la richesse d’une civilisation technologique.

Avec des richesses mesurées en énergie utilisable et neutralisée en carbone. (Si nous ne comptons pas le carbone maintenant, nous devrons quand même le compter plus tard).

La loi de Moore ne fonctionnera pas pour les ordinateurs quantiques

Cette idée m'est venue après avoir regardé un extrait du podcast de Lex Fridman avec le physicien quantique, mathématicien appliqué et entrepreneur - Guillaume Verdon.

Pour être honnête, les ordinateurs classiques ont été inventés pour la première fois dans l’Antiquité, avant Jésus-Christ. Mais d’un point de vue pratique, ils ont véritablement émergé sur la scène mondiale avec l’invention du transistor en 1947 aux Bell Labs. Avec l’invention du transistor est apparue la loi de Moore.

« La loi de Moore est l'observation selon laquelle le nombre de transistors dans un circuit intégré (CI) double environ tous les deux ans » – Wikipédia. Cette loi a été formulée par Gordon Moore en 1965 et est valable depuis 1975 jusqu'à aujourd'hui.

C'est effectivement une loi. Mais pour les ordinateurs classiques.

Pourquoi?

Tout comme l’intelligence artificielle, un ordinateur classique avec un utilisateur humain est un système qui tente de coder les détails clés des processus entropiques dans l’univers avec un modèle entropique aussi petit que possible.

Calculer, c'est représenter les états de l'univers (qu'ils se produisent naturellement ou se produire dans des mondes mathématiques abstraits ou ailleurs) et exécuter l'un de leurs changements de processus dans une simulation. Et moins nous pouvons utiliser d'énergie pour ce faire, mieux c'est.

Les transistors plus petits consomment moins d'énergie et, heureusement, la loi de Moore a vu ces unités de calcul de base, les transistors, rétrécir considérablement par rapport à la configuration encombrante de la taille d'une ampoule comme celle ci-dessous.

À cette image très agrandie de la technologie des puces IBM à 2 nanomètres. Cela ressemble à une radiographie de la formule dentaire d'un animal étrange.

Chaque transistor de l'image ci-dessus a à peu près la taille de 5 atomes et les 50 milliards de transistors de la puce peuvent tenir sur un ongle.

Toute cette miniaturisation a été possible parce que nous n’avions pas besoin de beaucoup d’énergie ou de matériel pour représenter un peu d’information, au niveau fondamental. Nous ne le savions pas il y a 49 ans lorsque Gordon Moore postulait sa loi. Nous le faisons maintenant.

Cependant, nous avons besoin de beaucoup d’énergie et de matériaux pour représenter un qubit logique d’information. Et c’est précisément la raison pour laquelle les ordinateurs quantiques ne pourront pas évoluer selon la loi de Moore.

À mesure que le nombre de qubits dont nous avons besoin augmente, l’énergie nécessaire, donc le coût de fonctionnement de ces calculs quantiques, augmentera probablement pour correspondre à la croissance du PIB réel neutralisé en carbone pour la planète entière.

Mais les qubits sont froids. Comment ça, ils ont besoin de beaucoup d’énergie ?

Théoriquement, un calcul quantique consomme moins d’énergie qu’un calcul classique. Parce que les changements d’énergie sont réversibles, nous pourrions, en théorie, effectuer des calculs quantiques avec une énergie nulle !

Parce qu’en théorie encore, toute énergie que nous apportons n’est jamais restituée. Par exemple, la porte logique fondamentale dans les calculs classiques, appelée porte NAND, se présente comme suit.

Vous pouvez voir que 2 bits d’information, A et B, entrent, mais qu’un seul bit d’information sort.

Puisque Landauer a montré que l’information est de l’énergie, cela montre que les ordinateurs classiques gaspillent de l’énergie.

La version quantique de la porte NAND est appelée porte Tofolli et est présentée ci-dessous.

3 entrées d’énergie pour donner 3 sorties d’énergie.

Aucune énergie gaspillée.

Mais attendez, vous avez besoin de 3 entrées qubit alors que dans le cas classique, vous n'aviez besoin que de 2 bits. Nous constatons déjà que nous avons besoin de plus que d’habitude.

Simuler la nature coûte très cher matériellement et énergétiquement

Avoir besoin de plus d’impulsions d’énergie pour nos entrées n’est même pas une égratignure sur la surface de notre budget énergétique lorsque nous utilisons des ordinateurs quantiques. Le fait est que nous simulons la nature en utilisant une nature artificielle, des millions de fois plus grande que ce que nous simulons.

Prenez les qubits supraconducteurs. Alors que les qubits naturels comme les électrons « en rotation » sont des choses extrêmement petites, suffisamment petites pour survivre à leurs états quantiques et être frappés par la plupart des rayons cosmiques, les qubits supraconducteurs se comportent comme des électrons artificiels en rotation que nous pouvons facilement contrôler. L’inconvénient est que des millions de rayons cosmiques les voient très clairement. Et ils les ont frappés.

Ce n’est qu’une forme de bruit extérieur. Cela nous coûte cher et cela va continuer à nous coûter cher.

Nous avons besoin et continuerons d’avoir besoin de beaucoup d’énergie pour éloigner les bruits énergétiques comme les rayons cosmiques de nos systèmes quantiques.

Comme l'explique M. Guillaume, l'astuce que nous avons dans notre sac est de construire des codes correcteurs d'erreurs des codes des codes du système bruyant, ce qui nous donne finalement un système sans bruit (dans le cas moyen). Mais cela rend le système plus grand, d'où un budget plus important pour le refroidissement.

La chaleur est la deuxième forme de bruit extérieur. Cela aurait dû être le premier dont nous parlons. En reprenant l’analogie de l’électron en rotation, assis confortablement sur son orbite, les signaux infrarouges transportant de la chaleur heurtent rarement suffisamment l’électron pour interrompre sa rotation.

L'électron est lié électrostatiquement au noyau et si cet électron partage l'orbite avec un autre électron, les deux sont essentiellement intriqués et encore une fois, il est plus difficile de se soucier d'une déviation de leurs configurations stables.

Troisièmement, la raison pour laquelle nous souffrons autant des coûts énergétiques est qu’il faut une très grande quantité d’énergie pour suivre les états quantiques avec nos mesures.

La nature ne fait pas de mesures, nous le faisons. Nous ajoutons ainsi une information (une mesure) à notre simulation de la nature. Donc plus d'énergie (rappelez-vous Landauer).

La mesure introduit également de l'énergie inutile dans un système quantique qui affecte la position et l'impulsion de nos particules selon le principe d'incertitude de Heisenberg. Cela n’aide pas non plus que la réduction de la fonction d’onde d’un état quantique superposé en un état parmi tant d’autres, bien que de manière aléatoire, ne nous donne exactement aucune information sur les variables cachées de cet état.

Il s’agit du véritable hasard, et non de ce que les ordinateurs classiques imitent, qui est du pseudo-aléatoire. Nos algorithmes de randomisation classiques sont tous pseudo-aléatoires.

Einstein s'en est plaint .

Par conséquent, nous devons généralement effectuer plusieurs mesures répétées pour déterminer la distribution de probabilité de nos états quantiques, que ce soit pour apprendre à les pousser ou à atténuer les erreurs. Ces initialisations et mesures répétées sont appelées « coups » et nous en avons normalement besoin par milliers. . Ils consomment tous beaucoup d’énergie. D'où l'argent.

Nous avons besoin d'un plus gros budget

Voici une loi pour vous,

"Si nous vérifions tous les 2 ans pendant les 2 prochaines décennies, les qubits continueront d'être plus coûteux à exploiter pour le calcul que les transistors"

Le financement est exponentiel, mais le mieux que nous puissions montrer jusqu'à présent est de 433 qubits . Cependant, nous ne pouvons pas nous permettre de ralentir, nous sommes proches.

Pour l’instant, les progrès des ordinateurs quantiques continueront de croître pour correspondre à l’augmentation des financements consacrés au calcul quantique, mais avec des bénéfices nuls, et ils n’atteindront pas le seuil de rentabilité de la même manière que l’informatique classique. Vous savez, avec une sorte de loi de Moore pour les qubits.

Certes, il existe des courbes d'apprentissage qui nous font passer de mauvais qubits à de meilleurs qubits et cette courbe réduit les coûts énergétiques d'où les contraintes budgétaires. Mais à la limite la plus basse, exécuter des simulations parfaites de modèles naturels va nous coûter beaucoup de temps et ne sera jamais moins cher que le calcul classique en masse.

Les ordinateurs classiques sont peut-être des approximations de la nature, mais ils nous montrent que nous pouvons aller très loin en nous rapprochant de la nature.

Mais comme il faut parfois porter un regard critique sur la réalité, ne serait-ce que pour sortir des approximations qui atteignent leurs limites, il faut pouvoir le payer. Les grands systèmes informatiques quantiques comme LIGO coûtent 1,1 milliard de dollars, mais il faut les payer si vous voulez regarder le ciel nocturne clair et voir les ondes gravitationnelles. Aucun système informatique classique, aussi intelligemment construit soit-il, ne sera capable de coder tout ce qui se passe dans LIGO.

Le mouvement E/acc a raison, l’humanité doit atteindre de nouveaux échelons sur l’échelle de Kardashev. Nous devons être en mesure de consommer des centaines de fois plus d’énergie utilisable et sans carbone que celle que nous utilisons aujourd’hui. Cette énergie est ce qui finance réellement tout, y compris les calculs quantiques, et même si la technologie n’est peut-être pas assez performante pour rendre rentables les ordinateurs de bureau quantiques, les ordinateurs quantiques nous donneront, de temps en temps, une vision de la réalité à laquelle nous ne nous attendions pas. Une vision qui ravive notre intérêt pour le monde.

Aidez donc à pousser l’humanité et ses approximateurs informatiques classiques toujours plus près d’une grandeur plus vraie que si nous n’avions jamais découvert le pouvoir qui simule la nature avec un modèle informatique quantique.

Même s’il s’agit peut-être de la technologie la plus chère au monde.

***

PS >> Parce que l'exécution de calculs quantiques coûte si cher, nos craintes que des ordinateurs quantiques futuristes piratent notre courrier électronique sont infondées. Le piratage social restera un moyen moins coûteux de pirater votre messagerie électronique, les ordinateurs quantiques, pas tellement. Et si votre mot de passe est PASSWORD, ne blâmez pas les ordinateurs quantiques.