L’informatique quantique, cette petite révolution

Beaucoup les attendent comme une révolution, d’autres y voient une technologie futuriste inaccessible à l’homme tandis que le reste du monde reste perplexe face à leur complexité. Les ordinateurs quantiques suscitent aujourd’hui beaucoup d’attentes, de craintes, mais surtout de questions. 

Un ordinateur quantique est un ordinateur qui utilise les lois de la physique et de la mécanique quantique pour traiter des données. Il est l’équivalent d’un ordinateur classique, sauf que ses calculs sont effectués à l’échelle atomique. Si cette définition d’un ordinateur quantique peut paraître triviale, elle devient cependant beaucoup plus complexe lorsqu’on essaie de comprendre réellement ce qu’elle implique.

Pour faire simple, la différence entre un ordinateur quantique et un ordinateur classique est à peu près aussi grande qu’entre un avion de chasse et une montgolfière. C’est pour cette raison que des laboratoires et entreprises tels que Google, Microsoft ou encore IBM investissent des sommes colossales pour le développement de calculateurs quantiques.

Les ordinateurs quantiques n’en sont cependant qu’à leurs balbutiements, même si les recherches montrent des résultats prometteurs.

La suprématie quantique

Les ordinateurs quantiques sont censés résoudre des problèmes que même les plus gros supercalculateurs ont échoué à calculer jusqu’à présent. Les chercheurs souhaiteraient par exemple utiliser ces ordinateurs pour simuler les interactions entre les molécules ou leurs états possibles, ce qui pourrait notamment conduire à des avancées dans le développement de nouveaux médicaments. Les applications dans les domaines de l’intelligence artificielle et du traitement des mégadonnées pourraient également faire un énorme bond en avant avec les ordinateurs quantiques.

L’objectif des chercheurs est d’atteindre la « Suprématie Quantique ». Un terme marketing très vendeur qui désigne le moment où les ordinateurs pourraient résoudre des problèmes jusque-là impossibles à effectuer pour des ordinateurs classiques dans un délai qui ne se compte pas en décennies ou en siècles. Google a ainsi affirmé avoir atteint la suprématie quantique en réalisant un calcul en 200 secondes que le supercalculateur « Summit » d’IBM, équivalent à 100.000 ordinateurs de bureau, aurait pris 10.000 ans à faire.

Dans la réalité, nous sommes encore loin d’une véritable suprématie quantique et les exemples actuels ne s’appliquent qu’à des cas très précis. IBM a d’ailleurs contesté les résultats de Google en indiquant qu’un supercalculateur traditionnel aurait pu résoudre le problème en 2 jours et demi. Il reste donc du chemin à parcourir pour atteindre la suprématie quantique, mais les recherches sont cependant très encourageantes.

Il est néanmoins important de préciser dès maintenant que les ordinateurs quantiques ne remplaceront jamais complètement les ordinateurs actuels. En effet, les ordinateurs quantiques ne sont plus efficaces que les ordinateurs classiques que dans des tâches spécifiques. Pour les calculs traditionnels, ils sont même moins performants. Ne vous attendez donc pas à faire tourner Doom avec un ordinateur quantique de sitôt.

Présentation d’un quantum

Le terme « informatique quantique » fait évidemment référence à la mécanique quantique. En physique, le terme quantum désigne la plus petite unité de mesure indivisible d’énergie, de quantité de mouvement ou encore de masse. Il vient du mot latin « quantum » qui signifie « combien ? » Il est généralement utilisé pour faire référence aux propriétés des particules atomiques ou subatomiques, telles que les électrons, les neutrons et les photons.

Des 0 et des 1

Pour comprendre l’informatique quantique, il faut revenir brièvement sur le fonctionnement des ordinateurs modernes. Dans un ordinateur classique, l’information est codée en bits, où chaque bit peut avoir la valeur « 0 » ou « 1 ». C’est un système binaire où un bit ne peut avoir que deux valeurs possibles.

Pour mettre en place ce système de « 0 » et de « 1 », les ordinateurs sont équipés de milliards de transistors, des sortes d’interrupteurs microscopiques, qui peuvent grâce à un flux électrique, être allumé (1) ou éteint (0). Grâce à ces transistors, les ordinateurs sont capables de réaliser des calculs au départ simple, puis de plus en plus complexe selon le nombre de transistors.

Les ordinateurs quantiques, en revanche, s’appuient plutôt sur les propriétés physiques des électrons, des photons et d’autres particules soumises aux lois de la mécanique quantique. Ces morceaux de matière peuvent faire bien plus que d’être simplement allumés ou éteints. En fait, « allumé » et « éteint » ne sont pas vraiment des mots qui ont un sens en physique quantique. On parle plutôt de « superposition », mais nous y reviendrons plus tard.

Les ingénieurs en informatique tentent d’exploiter la logique chaotique du monde quantique pour résoudre des problèmes. Là où les ordinateurs traditionnels fonctionnent avec des commutateurs pour contrôler le flux d’électricité, les ingénieurs en informatique quantique construisent du matériel pour influencer les états quantiques.

Présentation d’un qubit

En informatique quantique, on ne parle pas de « bits », mais de « qubits », pour bit quantique. Le qubit est l’analogue du bit pour la mécanique quantique. Au lieu d’être restreint à être 0 ou 1, le qubit peut être 0 et/ou 1 simultanément.

Cela peut paraître difficile à appréhender, mais cela est possible grâce à la « superposition » des états quantiques. Ainsi, les qubits peuvent contenir une superposition de tous les états possibles de 0 et de 1. Ils gèrent donc virtuellement une plus grande quantité d’information que les bits.

Pour être un peu plus visuel, on voit dans le schéma ci-dessous qu’un bit ne peut prendre que deux valeurs : 0 ou 1. Si on prend une paire de bits, les possibilités augmentent à 4 valeurs avec 00, 01, 10 et 11. Cette paire de bits ne peut cependant être qu’une seule de ces valeurs à la fois.

Le qubit peut quant à lui être toutes ces valeurs à la fois. Il lui faut donc beaucoup moins de temps pour réaliser la même tâche qu’un bit classique. Plus vous ajoutez de qubits, plus les combinaisons augmentent.

« L’informatique quantique, c’est un peu comme avoir quatre ordinateurs ordinaires fonctionnant côte à côte », explique le magazine Cosmos. « Si vous ajoutez plus de bits à un ordinateur ordinaire, il ne peut toujours traiter qu’un seul état à la fois. Mais à mesure que vous ajoutez des qubits, la puissance de votre ordinateur quantique augmente de façon exponentielle. »

En conséquence, les ordinateurs quantiques peuvent effectuer un grand nombre de calculs en parallèle, au lieu d’en effectuer un à la fois. Cela permet de multiplier la puissance et la vitesse de façon exponentielle. Des calculs extrêmement complexes qui prendraient plusieurs années pour être résolu sur un ordinateur classique, prendraient théoriquement seulement quelques minutes à être réalisés sur un ordinateur quantique.

L’analogie du labyrinthe permet de visualiser plus facilement le procédé. Si un ordinateur classique doit prendre les uns après les autres tous les chemins pour déterminer celui qui est le plus court, un ordinateur quantique peut schématiquement prendre tous les chemins en une seule fois pour arriver au même résultat, mais en beaucoup moins de temps.

La superposition quantique

La « superposition » quantique est une des caractéristiques fondamentales de l’informatique quantique, mais elle est contre-intuitive pour l’esprit humain. Il faut comprendre que la matière se comporte différemment au niveau des particules. Très schématiquement, ce principe déclare que si une particule (électron, photon ou encore proton) peut se trouver en un point A ou en un point B, alors elle se trouve en A et en B. De la même façon, si un électron peut aller à 1000 km/s ou à 2000 km/s, il va à ces deux vitesses simultanément. On dit que ces états sont « superposés ».

Dans le cas d’une pièce de monnaie « quantique » qu’on lancerait en l’air, tant qu’elle n’a pas été mesurée, elle est à la fois pile et face. Cela rappellera sans doute à certains le chat de Schrödinger et c’est normal, puisque Erwin Schrödinger avait utilisé l’exemple de son chat à la fois vivant et mort pour illustrer les lacunes (supposées) de la mécanique quantique en 1935.

C’est cette superposition des états qui permet notamment aux ordinateurs quantiques d’effectuer un grand nombre d’opérations en parallèle.

L’intrication

En plus de la superposition des états, les qubits ont d’autres propriétés importantes qui découlent des lois de la physique quantique telles que l’intrication. Il s’agit de la corrélation entre un qubit et un autre, et qui permet une forte accélération du processus de calcul.

L’intrication quantique est un phénomène de physique quantique dans lequel deux particules ou groupes de particules forment un système lié et présentent des états quantiques dépendant l’un de l’autre, quelle que soit la distance qui les sépare.

Pour faire une analogie, imaginez deux boules de billard qui se déplaceraient sur des tables différentes de façon absolument identique. Lorsqu’une boule se déplace, l’autre suit exactement le même parcours, comme par « magie ». Dans le monde qui nous entoure, les photons peuvent être intriqués les uns avec les autres. C’est ce qu’on appelle l’intrication quantique.

Les photons possèdent un « spin », une « rotation » pour simplifier grossièrement les traits. Les photons générés par paires sont intriqués les uns avec les autres, quel que soit leur emplacement. Ce qui veut dire que le spin d’un photon change si l’autre est modifié, comme s’ils étaient liés par une force « invisible ». Cette intrication fonctionne, quelle que soit la distance, qu’il s’agisse de dizaines, de centaines ou de milliers de kilomètres de séparation.

Einstein décrivait cette intrication comme une « action effrayante à distance ».

Pour revenir aux ordinateurs quantiques, cette propriété de la physique quantique est utilisée dans ces ordinateurs pour, par exemple, « contrôler » l’état des qubits et pouvoir les mesurer. L’état des particules intriquées des qubits peut être modifié et évalué en les ralentissant. Il est possible d’utiliser les mesures d’un qubit pour tirer des conclusions sur les autres. En multipliant le nombre de particules utilisées et intriquées, les ordinateurs quantiques peuvent résoudre de façon exponentielle des calculs de plus en plus complexes.

Les interférences quantiques

Maintenant que nous avons vu les principes de bases, il est important de comprendre quelques-unes des difficultés rencontrées par l’informatique quantique, comme l’interférence ou la décohérence.

L’interférence quantique est l’un des principes les plus difficiles à appréhender de la théorie quantique. Essentiellement, le concept stipule que les particules élémentaires peuvent non seulement être à plus d’un endroit à un moment donné lors de leur « superposition », mais qu’une particule individuelle comme un photon peut traverser sa propre trajectoire et interférer avec la direction de son propre chemin. À cause de la superposition, les qubits subissent donc une « interférence quantique » qui peut entraîner une perte d’information.

La décohérence

Lorsqu’un qubit n’est pas parfaitement isolé, il est influencé par son environnement et transfère partiellement certaines informations à celui-ci. L’environnement n’étant pas vu par l’ordinateur quantique comme faisant partie du qubit, cette information est perdue. C’est cette perte d’information qu’on appelle « décohérence ». Ce phénomène de décohérence rend progressivement indétectable la superposition quantique de la particule. Après un certain temps, bien que la particule se trouve toujours dans un état superposé, le fait d’avoir interagi avec son environnement a rendu cette superposition complètement indétectable. La particule a alors « perdu » ses propriétés quantiques.

Le travail des chercheurs est d’arriver à isoler le mieux possible les qubits de leur environnement. Au fur et à mesure des progrès, il faut donc de plus en plus de temps avant que les qubits ne se perdent dans leur environnement.

Les chercheurs ont déterminé que des ordinateurs quantiques contenant quelques milliers de qubits pourraient être conçus pour faire face à la décohérence grâce à une « correction d’erreur quantique ». Mais le plus gros ordinateur quantique que les laboratoires ont montré jusqu’à présent ne possède que 72 qubits.

Une mise en œuvre complexe

Maintenant que nous avons abordé quelques points théoriques, intéressons-nous à la pratique. Pour fonctionner, un ordinateur quantique comporte généralement trois parties. Une zone qui héberge les qubits, une méthode pour transférer des signaux vers les qubits et un ordinateur classique qui exécute un programme pour envoyer des instructions.

Pour préserver les qubits de leur environnement, des interférences et réduire la décohérence, les machines qui hébergent des qubits sont généralement conservées à des températures très basses, proches du zéro absolu (-273°). D’autres types de stockage des qubits utilisent des chambres à vide pour réduire au maximum les vibrations et stabiliser les qubits. Les signaux peuvent être envoyés aux qubits au moyen de diverses méthodes, comme les micro-ondes, le laser et la tension.

L’état subatomique crée cependant des défis que l’informatique quantique doit surmonter. Le premier défi est de maintenir la qualité des qubits, qui bien que puissants, restent délicats. Ils perdent leurs qualités quantiques en environ 100 microsecondes, soit 0,0001 seconde. Cette dégradation est causée par des facteurs tels que les vibrations, les fluctuations de température de l’environnement et les ondes électromagnétiques. Les particules sont volatiles et fragiles, précisément parce qu’elles changent d’état. Ces dégradations entraînent des pertes de données et d’informations utiles pour le processus de calcul.

De plus, des températures très basses proches du zéro absolu nécessitent une infrastructure complexe. La méthode la plus courante pour les obtenir aujourd’hui consiste à utiliser des gaz liquéfiés comme l’Hélium 3, mais c’est un système très coûteux.

Les ordinateurs quantiques sont donc difficiles à construire, ont tendance à générer des erreurs et leurs composants sont souvent instables. À l’heure actuelle, Google, avec son ordinateur à 54 qubits, a présenté une preuve du concept montrant que les ordinateurs quantiques peuvent résoudre des problèmes d’une manière que les ordinateurs traditionnels ne peuvent pas. Le chemin à parcourir pour mettre au point un ordinateur quantique universel est encore long. « Il ne s’agit que d’une infime fraction du million de qubits qui pourraient être nécessaires pour une machine à usage général », indique la revue Nature.