Les pétaflops

Pétaflops! Voilà un mot bizarre et surprenant que je ne connaissais pas et dont je vais vous parler.

 

Qu'est-ce qu'un pétaflops?

péta est le préfixe pour désigner un million de milliards ou 10¹⁵.

Un pétaflops (péta floating per second) est un million de milliards d'opérations de calcul par seconde.

C'est en pétaflops que l'on évalue la puissance d'un supercalculateur.

Qu'est-ce qu'un supercalculateur?

Un supercalculateur est un très grand ordinateur réunissant plusieurs dizaines de milliers de processeurs dans de nombreuses armoires "en parallèle" c'est-à-dire fonctionnant simultanément.

 

Vous voyez ci-dessous le supercalculateur japonais Fugaku avec ses nombreuses armoires:

 

 

La puissance de calcul d'un supercalculateur

La puissance de calcul d'un supercalculateur s'exprime en pétaflops c'est-à-dire en millions de milliards d'opérations de calcul qu'il peut faire en 1 seconde.

Voici les principaux supercalculateurs dans l'ordre de puissances de calcul décroissantes:

• Le supercalculateur japonais Fugaku de la photo a une puissance de calcul de 442 pétaflops, soit 442 millions de milliards d'opérations par seconde.
  
• L'américain Summit construit par IBM a une puissance de calcul de 148,6 pétaflops.
• Sunway TaihutLight est un supercalculateur chinois de puissance de calcul de 93 pétaflops.
  
• Juwels est français, construit par Atos. Sa puissance de calcul est de 44,1 pétaflops, soit un dixième de la puissance du Fugaku.

On constate que le Japon surclasse les Américains et les Chinois, tandis que le supercalculateur français est bon dernier!

 

Applications des supercalculateurs

• Effectuer des simulations pour prévoir la météo au cours de certains évènements (comme Roland Garros par exemple). 
• Tester la résistance mécanique des 150 000 pièces que compte en moyenne une voiture.
• Exploiter les réserves pétrolières en faisant des simulations de gisements.
• Accroître l'efficacité de la production d'hydrocarbures.
• Simuler des phénomènes physiques complexes (séismes, formation des étoiles, galaxies).

E =m c2 inscrit sur un gratte-ciel

On pouvait lire E=m c² sur le gratte-ciel Taipei 101 en Taiwan en 2005, année de la Physique:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Que signifie cette  égalité?                                     

 

L'équivalence entre masse et énergie

C'est en 1905 qu'Einstein a montré dans sa théorie de la relativité restreinte l'équivalence entre masse et énergie: toute particule de masse m possède une énergie égale à mc², c étant la vitesse de la lumière dans le vide. Cette énergie est E =mc².

Cette formule a révolutionné la physique, et la compréhension de l'Univers.

Voici quelques exemples de conversion de la masse en énergie.

 

La fusion de deux trous noirs

Il y a 1,3 milliards d'années, un trou noir (cet ogre d'étoiles!) de 29 masses solaires (cela signifie que la masse du trou noir est 29 fois la masse du Soleil) a fusionné avec un autre trou noir de 36 masses solaires pour donner un trou noir de 62 masses solaires. 

29 + 36 = 65. Où sont passées les 65- 62= 3 masses solaires? Elles se sont transformées en une énergie E =mc²  qui s'est propagée dans l'Univers sous forme d'ondes gravitationnelles. Ce fut un cataclysme cosmique!

 

La fusion nucléaire

Au coeur des étoiles, des noyaux d'hydrogène fusionnent pour donner des noyaux d'hélium. La masse totale des noyaux d'hélium est inférieure à celle des noyaux d'hydrogène en fusion, la différence de masse m s'est transformée en une énergie E =mc².

Il en est ainsi en particulier pour notre étoile, le Soleil. Chaque seconde, le Soleil consomme 700 millions de tonnes d'hydrogène qui fusionnent pour donner 695 millions de tonnes d'hélium. La différence, soit 5 millions de tonnes, a été convertie en une énergie qui nous chauffe et nous éclaire gratuitement!

La bombe H

Hélas, la fusion nucléaire n'est pas toujours bienfaisante.

La fusion de deux noyaux d'isotopes de l'hydrogène, le deutérium et le tritium, à très haute température,  donne un noyau d'hélium . La masse perdue dans cette fusion est convertie en une énergie énorme. C'est l'énergie de la bombe atomique H.
Fort heureusement la bombe H n'a jamais été utilisée dans une guerre pour détruire une population mais seulement à titre expérimental, explosant dans l'Océan Pacifique ou dans le désert, et provoquée par certains pays voulant montrer leur force, leurs "biceps" : les États - Unis, la Russie, le Royaume-Uni, la Chine et la France.

Le projet ITER
Comment maîtriser, contrôler, entretenir la fusion nucléaire précédente sans en faire une bombe? C'est le projet ITER (initiales de International Thermonuclear Experimental Reactor) dont le but est de construire un réacteur à fusion nucléaire.
Après des années d'interminables négociations, un accord international a été conclu pour réaliser finalement ce projet ITER à Cadarache en France. 

Un calculateur quantique

Voici l'élément principal du calculateur quantique IBM  Q Quantum:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Que cette image est belle! et surprenante! Mais elle cache un monde bien mystérieux, le monde du quantique, que nous allons tenter d'explorer.

 

 

Bits et qubits

Le mot bit est la contraction de binary digit (chiffre binaire). Le bit est la plus petite unité d'information d'un ordinateur classique pouvant prendre les valeurs 0 (absence de courant) ou 1 (présence de courant).

Le qubit (quantum bit) est la plus petite unité d'information quantique pouvant prendre les valeurs 0 et 1 simultanément. 

Le calculateur quantique IBM précédent contient 50 qubits piégés à très basse température dans une puce électronique.

 

Superposition et intrication

La superposition de plusieurs états
La position, la vitesse, l'énergie, etc,.... sont des états d'une particule. Dans le domaine du quantique, il peut y avoir une superposition de plusieurs états simultanément. Par exemple un électron envoyé sur un écran peut se trouver, en même temps, à un endroit, à un autre, à un autre,.... et atteindre plusieurs vitesses à la fois.
C'est cette simultanéité qui est surprenante.

L'intrication. L'intrication est l'interaction d'une particule sur une autre: les états d'une particule dépendent des états d'une autre particule et vice versa.

 

Les performances d'un ordinateur quantique

La superposition de plusieurs états d'une particule et l'intrication sont les deux propriétés essentielles qui permettent à un ordinateur quantique de traiter une multitude de problèmes en même temps. 

L'ensemble des données reçues est un labyrinthe, en quelque sorte, avec une multitude de chemins qu'un ordinateur classique explore un par un tandis qu'un ordinateur quantique les explore simultanément pour aller beaucoup plus vite.

Quand un ordinateur classique traite, par exemple, 30 données, on démontre qu'un ordinateur quantique en traite                   2³⁰ = 1 073 741 824 (plus d'un milliard!) simultanément.

Ordinateur et calculateur quantiques

Quelle est la différence entre un ordinateur quantique et un calculateur quantique?

Un ordinateur quantique est programmable pour exécuter n'importe quel algorithme quantique. Un calculateur quantique ne peut exécuter qu'un seul algorithme, par exemple la factorisation en un temps record de nombres entiers très grands. Il peut ainsi "casser" des systèmes cryptographiques en trouvant les clés (les factorisations) de ces systèmes.

 

 

 

Quantique? Vous avez dit Quantique? Comme c'est bizarre! J'espère que le quantique vous paraîtra maintenant moins mystérieux.