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Le cryptage des données repose généralement sur la difficulté pratique d'un processus appelé décomposition en facteurs premiers. Dans ce processus, un nombre énorme (représenté par 1 024 bits ou plus) est décomposé en un produit de nombres premiers. Une telle tâche prend notoirement beaucoup de temps pour les ordinateurs classiques et est estimée à pour être beaucoup plus efficace pour un futur ordinateur quantique – en supposant que cette machine est construite et utilise une méthode appelée algorithme de Shor. , Les frontières et al. démontrer qu'un circuit intégré (une puce informatique) contenant des aimants à l'échelle nanométrique peut fractionner efficacement des nombres allant jusqu'à 945 en facteurs premiers. Une telle puce nanomagnétique est beaucoup plus facile à fabriquer qu’un ordinateur quantique et, si elle était améliorée, pourrait menacer le cryptage des données.
Si vous lisez cet article sur un ordinateur, vous utilisez probablement des bits électroniques dans le processeur de la machine et des bits magnétiques dans son disque dur. Les bits électroniques sont basés sur des dispositifs semi-conducteurs appelés transistors. Un tel bit a un état défini (0 ou 1) qui dépend du fait qu'une charge nette négative ou positive nette de milliers d'électrons est stockée dans la grille (une borne du transistor) (Fig. 1a). En revanche, un bit magnétique est basé sur des centaines de milliers de spins d’électrons (moments magnétiques) dans un aimant. L'état de ce bit peut également être 0 ou 1, selon que le spin net des électrons pointe vers le haut ou vers le haut (Fig. 1b).
Pour ces deux types de bits de calcul, une barrière d’énergie importante doit être surmontée pour basculer entre les états 0 et 1. En conséquence, les états persistent malgré les forces de «relaxation» aléatoires causées par les fluctuations thermiques de l’environnement. La puce de Borders et ses collègues utilise des nanomagnétiques dans lesquels la barrière entre les états 0 et 1 est petite. Par conséquent, les forces de relaxation aléatoires font fluctuer les nanomagnétiques de façon aléatoire entre les deux états, avec une certaine probabilité que le spin net monte ou descende (Fig. 1c). Ces bits sont donc appelés bits probabilistes (p bits). Les frontières et al. ont utilisé leur puce pour effectuer une factorisation initiale sur des nombres atteignant 945.
Un autre type de bit, utilisé dans les ordinateurs quantiques, est appelé bit quantique (qubit) et est basé sur le spin d'un seul électron (Fig. 1d). Pour bien comprendre le fonctionnement des qubits, commencez par examiner le chat de Schrödinger. Dans cette célèbre expérience de pensée, un chat dans une boîte fermée peut être considéré à la fois mort et vivant, jusqu’à ce que la boîte soit ouverte et que son statut soit révélé. Notez que, lorsque la boîte est fermée, le chat n'a pas simplement une certaine probabilité d'être mort et une certaine probabilité d'être en vie, comme dans les probabilités habituelles (classiques). Au lieu de cela, il existe dans un état quantique-corrélé, dans lequel il est simultanément mort et vivant.
Pour l’algorithme de Shor, un état encore plus complexe de deux qubits, appelé état enchevêtré, est requis (Fig. 1d). L'analogue serait un état quantique-corrélé dans lequel un chat est vivant et un second chat est mort, et vice versa, simultanément. Les forces de relaxation aléatoires sont le principal mal à la tête des ordinateurs quantiques, car elles détruisent les enchevêtrements. Il existe un type d'informatique quantique, appelé adiabatique, qui n'a pas besoin d'enchevêtrement. Mais aucun travail théorique n'a prétendu que cette approche est plus efficace que l'informatique conventionnelle.
En revanche, pour les bits p, les forces de relaxation aléatoires sont transformées en un mécanisme de fonctionnement, dans l’esprit de la théorie de la résolution inventive de problèmes. (couramment désigné par son acronyme russe TRIZ). Espérons que ces différences entre p-bits et qubits vous convainquent que, même conceptuellement, les p-bits sont beaucoup plus simples à utiliser que les qubits.
L’approche des auteurs présente deux autres avantages par rapport à l’informatique quantique. Premièrement, la puce nanomagnétique est fabriquée selon un processus déjà développé pour les mémoires magnétiques, alors qu’un ordinateur quantique approprié ferait appel à un nouveau procédé de fabrication hautement sophistiqué. Deuxièmement, la puce nanomagnétique fonctionne à la température ambiante, alors que l'ordinateur quantique aurait besoin de réfrigération pour rester bien en dessous de 1 kelvin. En plus d’être une nuisance, une telle réfrigération nécessiterait environ un kilowatt de puissance pour chaque watt consommé par l’ordinateur., et augmenterait la difficulté de développement et d’exploitation de cette technologie.
Je devrais mentionner un autre exemple de preuve expérimentale de la factorisation en facteurs premiers qui n'exigeait pas l'informatique quantique. En 2016, une collaboration russo-américaine réalisé cette factorisation en utilisant des ondes de spin, qui propagent des précessions de spins dans des nanomagnétiques. Malheureusement, ce travail n'a pas reçu autant d'attention qu'il aurait dû l'être.
Les méthodes de décomposition en facteurs nanomagnétiques en sont encore à leurs balbutiements. De nombreux développements sont nécessaires pour transformer ces puces nanomagnétiques en moteurs informatiques pratiques: la possibilité de connecter des milliers de bits p l'un à l'autre; une démonstration de la combinaison de p bits et de transistors dans un circuit intégré; et un calcul du temps et de l’énergie nécessaires pour obtenir la factorisation première de grands nombres à l’aide de ces méthodes.
Cependant, compte tenu des avantages susmentionnés, il y a de fortes chances que ces exigences soient remplies plus rapidement et plus facilement que pour l'informatique quantique. Compte tenu des résultats de Borders et de ses collègues, l’attention des groupes de recherche et le financement de nombreuses agences pourraient être détournés de l’informatique quantique vers des puces à nanomagnétiques.
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