L’informatique quantique, une histoire qui a débuté il y a 40 ans

Si l’informatique quantique semble être un sujet d’étude récent dans l’esprit de nombreuses personnes, cela fait en réalité plusieurs décennies que les chercheurs travaillent sur la question. Depuis leurs débuts, les ordinateurs quantiques ont énormément progressé, même si le chemin reste encore long à parcourir. D’où viennent-ils et où vont-ils ? C’est ce que nous allons voir ensemble.

La préhistoire quantique

Comme pour un grand nombre d’avancées scientifiques, il est difficile d’identifier un individu unique comme étant l’« inventeur de l’ordinateur quantique ». Nous pouvons toutefois remonter dans le temps et nous intéresser à l’histoire de plusieurs pionniers de ce mariage improbable entre la mécanique quantique et l’informatique. Trois physiciens se distinguent à l’époque où l’informatique quantique n’était qu’une idée : Paul Benioff, Richard Feynman et David Deutsch.

En 1981, le physicien Paul Benioff américain tente de démontrer la possibilité théorique des ordinateurs quantiques en décrivant le premier modèle de mécanique quantique adaptée à un ordinateur. Il y détaillait une machine de Turing fonctionnant selon les principes de la mécanique quantique.

Il faut cependant attendre 1982 et les théories du physicien américain Richard Feynman pour que la véritable histoire des ordinateurs quantiques commence. Cette année-là, Richard Feynman a théorisé ce que l’on appelle aujourd’hui les « simulateurs quantiques ». Une sous-classe d’ordinateur quantique qui sert à contrôler les interactions entre des bits quantiques. Leur but est de simuler certains problèmes quantiques difficiles à étudier en laboratoire et impossibles à modéliser avec un supercalculateur classique.

Pour démontrer sa théorie, Feynman utilise le principe de superposition d’états des particules élémentaires comme hypothèse. Le physicien imagine des dispositifs conçus pour fournir des informations sur des problèmes physiques spécifiques. À travers ses recherches, Feynman a tenté de montrer qu’un ordinateur classique connaîtrait un ralentissement exponentiel dans la simulation des phénomènes quantiques, contrairement à son hypothétique simulateur quantique universel.

Enfin, en 1985, le physicien britannique David Deutsch réussit à démontrer la validité de la théorie de Feynman. Il décrit le premier ordinateur quantique universel et présente ses caractéristiques, dont fait partie le parallélisme quantique causé par la superposition des états, pour le calcul en parallèle et non plus en séquence, comme c’est le cas dans les ordinateurs traditionnels.

L’apparition des premiers prototypes

Le premier prototype d’ordinateur quantique a été présenté en 1998 par IBM dans son centre de recherche d’Almaden à San José en Californie. Il disposait de 2 qubits. En 2001, le centre de recherche d’Almaden présente le premier processeur quantique à 7 qubits, composé d’une seule molécule à 7 spins nucléaires. Le 13 février 2007, l’entreprise D-Wave Systems montre publiquement « Orion », le premier ordinateur quantique adiabatique de 16 qubits, c’est-à-dire isolé et résistant à la chaleur.

En février 2016, IBM met à disposition publiquement le processeur « IBM Quantum Experience », le premier ordinateur quantique connecté au cloud. Il dispose d’un processeur de 5 qubits.

En mai 2017, IBM annonce avoir construit un processeur 17 qubits plus élaboré qui pourrait servir de base aux systèmes commerciaux. La même année, Google sort un processeur de 20 qubits et annonce vouloir atteindre 49 qubits d’ici la fin de l’année.

En février 2018, Google annonce une nouvelle étape avec un processeur informatique quantique de 72 qubits appelé « Bristlecone ». En 2018 également, Intel confirme le développement d’une puce de test supraconductrice de 49 qubits, appelée « Tangle Lake ». En 2019, IBM présente son premier ordinateur quantique commercial doté de 20 qubits, le « IBM Q System One ».

Comme on peut le constater, les prototypes n’ont pas manqué depuis deux décennies. La recherche bat son plein, mais de nombreux défis restent encore à maitriser. L’augmentation du nombre de qubits, et les contraintes inhérentes, représente un des nombreux obstacles que les ordinateurs quantiques devront surmonter.

L’informatique quantique est désormais une réalité, mais certains chercheurs et analystes mettent en garde contre des attentes démesurées. Les grandes annonces des constructeurs et le battage médiatique donnent l’illusion d’une arrivée prochaine des ordinateurs quantiques, mais les ordinateurs quantiques universels prendront encore beaucoup de temps avant d’arriver.

Il faudra être patient

Pour Olivier Ezratty, auteur du livre de vulgarisation « Comprendre l’informatique quantique», le chemin à parcourir avant la démocratisation de l’informatique quantique est encore long. « Pour l’instant, on n’a pas encore dépassé les capacités des machines classiques. Le potentiel de dépassement il arrivera d’ici quelques années, mais ça peut prendre 5 comme 25 ans, c’est impossible de savoir. »

Les prototypes actuels fonctionnent en utilisant des technologies très variées. Une diversité qui rend difficile toute estimation : « C’est une technologie qui est très difficile à évaluer. Il faut comprendre qu’il y a au moins une grosse demi-douzaine de technologies concurrentes qui n’ont rien à voir les unes avec les autres. Il y en a qui vont fonctionner et d’autres non. On ne sait pas prédire à l’avance lesquels. »

La quantité d’ordinateurs quantique dépendra également des domaines d’applications qui lui seront trouvés : « Selon que les ordinateurs quantiques se destineront au monde de la recherche ou pour des entreprises à travers le monde, le marché n’aura pas la même taille. On aura besoin de plus de machine quantique si on sert le grand public. »

Comme nous l’avons évoqué dans un précédent article, le dépassement des capacités des ordinateurs quantiques par rapport aux ordinateurs classiques ne concernera que quelques applications très précises. Les chercheurs ne s’attendent pas à ce qu’ils remplacent les ordinateurs classiques, mais si des pistes d’applications sont envisagées, il reste difficile de prévoir l’impact qu’auront réellement les ordinateurs quantiques : « Aujourd’hui, dans l’état actuel de nos connaissances, on ne peut pas répondre à cette question. C’est comme si vous demandiez à un ingénieur informatique de 1951 de prévoir l’arrivée de Twitter. Ce serait prétentieux de vouloir dire ce que l’ordinateur quantique fera dans 20 ans. Si ça se trouve, les gens qui vont inventer les nouveaux usages ne sont même pas encore nés. »