Au-delà des bits : la logique illogique des ordinateurs quantiques

Au début des années 1980, le mathématicien russe Yuri Manin et le physicien théorique américain Richard Feynman ont proposé une toute nouvelle façon de traiter l’information, dans laquelle l’informatique fonde sa logique de calcul sur les principes de la mécanique quantique. En particulier, Feynman voulait répondre à une demande qui émanait principalement des domaines de la physique et de la chimie : pour le scientifique, les temps d’exécution des simulations sur les ordinateurs de l’époque étaient trop longs, voire géologiques. Selon Feynman, ces délais pourraient devenir acceptables avec la nouvelle méthode de traitement de l’information appelée informatique quantique. Les mots de Feynman dans l’un de ses ouvrages en 1981 étaient prophétiques : la nature n’est pas classique, bon sang, et si vous voulez faire une simulation de la nature, vous feriez mieux de la faire en mécanique quantique. Les ordinateurs quantiques, dont nous entendons de plus en plus parler, ne sont rien d’autre que des ordinateurs qui mettent en œuvre l’informatique quantique comme mode de calcul.

bit vs qubit

Vous me pardonnerez si je dois me montrer un peu technique pour répondre à ces questions : quelle est la différence entre les ordinateurs classiques et quantiques ? Et pourquoi l’ordinateur quantique, du moins pour certains types de calculs, a-t-il des performances nettement supérieures à celles de l’ordinateur classique ?

Dans les ordinateurs classiques, l’unité fondamentale d’information est le bit que nous connaissons tous maintenant. Un bit peut être dans deux états distincts, interprétés en langage arithmétique comme 0 et 1.

Dans un ordinateur quantique, l’unité fondamentale d’information est le bit quantique ou qubit, qui peut se trouver non seulement dans les deux états 0 et 1 du bit classique, mais aussi dans une infinité d’autres états obtenus par la superposition des états 0 et 1. Plus précisément, un qubit peut être, au même instant, à la fois dans l’état 0 et dans l’état 1. Cette caractéristique du qubit nous déconcerte et pas qu’un peu : nous ne pouvons pas imaginer un système ayant cette propriété. Heureusement, nous sommes réconfortés par les paroles de Niels Bohr, l’un des pères fondateurs de la mécanique quantique : si la physique quantique ne vous déroute pas, c’est que vous ne l’avez pas comprise.

Pour rendre l’affaire encore plus embrouillée pour les non-physiciens : comment fabrique-t-on un qubit ? En pratique, il existe plusieurs possibilités, comme l’électron avec son spin (spin up, spin down), les deux polarisations différentes d’un photon (horizontale, verticale) ou les deux niveaux d’énergie discrets d’un électron en orbite dans un seul atome.

Cependant, la superposition confère un grand avantage à l’informatique quantique car elle permet des calculs parallèles, une propriété que l’on appelle le parallélisme quantique. Au risque de simplifier à l’extrême, pour tenter d’expliquer cette caractéristique de la mécanique quantique de manière compréhensible, nous dirons que le parallélisme quantique permet de calculer simultanément les valeurs d’une fonction. Contrairement au parallélisme classique, dans lequel plusieurs circuits identiques (un pour chaque valeur à calculer) sont utilisés simultanément, le calcul quantique utilise un seul circuit quantique qui calcule toutes les valeurs simultanément en exploitant le fait qu’un qubit peut être en superposition de différents états.

Tous les problèmes ne nécessitent pas un calcul parallèle. Il est donc fort probable que l’avènement des ordinateurs quantiques n’entraîne pas l’extinction des ordinateurs classiques. Au contraire, pour certains calculs, l’ordinateur classique continuera à jouer un rôle important dans le traitement des données.

Temps de cohérence

L’état d’un qubit est extrêmement fragile : la moindre vibration ou le moindre changement de température – des perturbations appelées bruit dans le jargon – peuvent compromettre la superposition avant même que les qubits aient terminé leur travail. C’est la raison pour laquelle les qubits sont isolés du milieu environnant en les plaçant à l’intérieur de conteneurs spéciaux et conservés dans des endroits constamment réfrigérés à très basse température, proche du zéro absolu.

Combien de temps un état quantique peut-il survivre en superposition d’autres états ? La longueur de cet intervalle de temps, appelé temps de cohérence, dépend, comme mentionné ci-dessus, de l’environnement dans lequel les qubits fonctionnent. L’un des défis auxquels les ingénieurs quantiques sont confrontés depuis que l’on commence à construire des ordinateurs quantiques est d’obtenir des temps de cohérence de plus en plus longs, afin que les qubits puissent effectuer des calculs de plus en plus complexes avant que leur état quantique ne disparaisse (les temps de cohérence actuels des qubits sont de l’ordre de 100 microsecondes). Il existe un projet récemment financé par le gouvernement américain qui vise à fabriquer des qubits avec un temps de cohérence de quelques secondes. Si ce résultat était atteint, la technologie quantique ferait un bond en avant, ouvrant des scénarios impliquant des calculs bien plus complexes que ceux que nous sommes capables d’effectuer avec la technologie quantique actuelle.

Les ordinateurs quantiques entre la recherche et l’industrie

En 1998, Isaac Chuang du Laboratoire national de Los Alamos, Neil Gershenfeld du Massachusetts Institute of Technology et Mark Kubinec de l’Université de Californie – Berkeley ont créé le premier ordinateur quantique (2-qubit). Depuis lors, une course extrêmement compétitive s’est engagée, impliquant non seulement le monde de la recherche mais aussi un nombre progressivement croissant d’entreprises et de startups du secteur des TIC, dans le but de créer des ordinateurs quantiques avec un nombre croissant de qubits et des temps de cohérence de plus en plus élevés.

Actuellement, des prototypes d’ordinateurs quantiques de quelques dizaines de qubits sont disponibles, mais ils ne sont pas encore capables d’effectuer des calculs qui auraient une importance historique : pensez par exemple à l’exécution de l’algorithme de Shor (mentionné plus loin), avec un nombre de plusieurs milliers de chiffres ! Ces machines n’ont pas atteint leur pleine maturité au niveau technologique et font encore l’objet d’études et de recherches dans les universités, les centres de recherche publics et privés et les laboratoires de recherche et développement de nombreuses entreprises. Cependant, les progrès réalisés sont surprenants.

Pour ne citer que quelques exemples, lors du Consumer Electronic Show 2018, IBM a présenté un modèle d’ordinateur quantique de 50 qubits, avec un système de refroidissement pouvant atteindre 10 millièmes de degré au-dessus du zéro absolu. Même Google, dans le cadre d’un projet mené avec la NASA pour la réalisation d’ordinateurs quantiques, a réalisé sa puce Bristlecone avec 72 qubits. Mais la concurrence entre les principaux acteurs se poursuit et est de plus en plus féroce.

Il y a quelques mois, IBM a annoncé qu’elle mettrait à disposition un ordinateur quantique de 1 121 qubits d’ici 2023, appelé IBM Quantum Condor, avec pour objectif ultime de développer un système quantique de 1 million de qubits et plus. IBM estime que 1 121 qubits représentent une valeur symbolique qu’il faut dépasser pour arriver à la commercialisation d’ordinateurs quantiques. Le géant américain fait désormais partie des acteurs les plus importants dans ce domaine, mais il a des adversaires féroces comme Google, Microsoft, Intel, Honeywell et Rigetti.

Un fait particulièrement intéressant pour les étudiants des disciplines scientifiques et pour les programmeurs en général, est qu’IBM offre depuis quelques années un accès libre (c’est-à-dire gratuit) à un pool d’ordinateurs quantiques (équipés d’un maximum de 14 qubits) dispersés dans le monde entier. Bien que ces ordinateurs aient une capacité de calcul limitée, ils sont néanmoins capables d’exécuter des programmes écrits selon les méthodes et la logique de la programmation quantique. En bref, ces prototypes constituent un gymnase stimulant sur lequel se muscle une nouvelle génération de programmeurs, qui aura d’énormes possibilités lorsque les ordinateurs quantiques quitteront les laboratoires pour devenir des outils informatiques d’usage courant, disponibles sur le marché.

La suprématie quantique

En 2012, John Preskill a proposé l’expression suprématie quantique pour signifier qu’un ordinateur quantique peut effectuer un traitement qu’aucun ordinateur classique, même le superordinateur le plus puissant, ne peut faire dans un temps raisonnable. En décembre 2019, Google a annoncé avoir atteint la suprématie quantique en démontrant comment Sycamore – son ordinateur quantique de 53 qubits – a réussi à réaliser en seulement 200 secondes un traitement qui aurait pris au superordinateur Summit d’IBM – le plus puissant au monde – environ 10 000 ans. Prêt la réponse d’IBM : une configuration adéquate de Summit aurait pris au maximum 2 jours et demi et aurait fourni des résultats avec une plus grande précision. Comme il n’existe pas de formule mathématique (métrique) exprimant par un chiffre la suprématie quantique, il n’est pas possible de déterminer si Google l’a atteinte ou non. La réponse d’IBM, qui vise manifestement à redimensionner le résultat de Google, ne diminue cependant pas l’importance de l’objectif atteint : un prototype (je répète : un prototype !) d’ordinateur quantique de 53 qubits a dépassé les performances du superordinateur le plus puissant du monde, 200 secondes contre 2 jours et demi ! Un résultat jamais atteint auparavant et tout le monde – même IBM – s’accorde à dire que l’objectif atteint est sans précédent.

Les applications de l’informatique quantique

Bien que l’idée des ordinateurs quantiques soit née de la nécessité de réaliser des simulations de systèmes physiques et chimiques en un temps raisonnable, on s’est rendu compte par la suite qu’il était possible de les employer pour un large éventail de problèmes de calcul qui ne pouvaient être traités par les ordinateurs classiques, de sorte que l’informatique quantique est considérée comme la prochaine grande révolution des technologies de l’information.

Par exemple, l’ensemble du monde de l’intelligence artificielle et de l’apprentissage automatique bénéficiera certainement de manière significative de l’informatique quantique et, par conséquent, des secteurs tels que la médecine ou la finance qui utilisent déjà ces outils pour améliorer les capacités d’analyse et de diagnostic des patients, d’une part, et des flux financiers, d’autre part. L’informatique quantique aura également un impact important sur les services liés au secteur de la cybersécurité. Un ordinateur quantique, doté d’une puissance de calcul nettement supérieure à celle des prototypes qui existent actuellement, peut facilement craquer les systèmes de cryptage actuels (RSA) en utilisant l’algorithme que Peter Shor a inventé en 1994 ; s’il est vrai qu’il faudra encore plusieurs années avant que de telles machines existent et puissent être utilisées à de telles fins, cela donnera du temps à la communauté informatique pour développer de nouveaux algorithmes et systèmes de protection des communications.

Une autre propriété importante de l’informatique quantique liée à la cybersécurité est le théorème du non-clonage : il n’est pas possible de créer une copie exacte d’un état quantique inconnu. Il s’agit d’une propriété qui résoudra définitivement le problème de la cybersécurité, qui affecte notoirement l’Internet actuel, car l’état d’un qubit que A envoie à B ne peut jamais être cloné par C. En conclusion, un ordinateur quantique peut facilement craquer RSA mais ne peut pas copier l’état d’un qubit que A envoie à B en utilisant, par exemple, la téléportation (présentée ci-dessous).

Entanglement, téléportation et Internet quantique

Une autre propriété étonnante de la mécanique quantique est l’intrication, un mot anglais signifiant emmêlement qui a été introduit par l’un des pères fondateurs de la mécanique quantique, Erwin Schrödinger. Décrite par Albert Einstein comme l’action spooky à distance, si deux qubits sont « intriqués », l’état de chacun d’eux est intimement lié à celui de l’autre, de sorte qu’une action (par exemple une mesure) effectuée sur l’un des deux qubits produit un effet instantané sur l’autre, indépendamment de leur distance géographique et sans propagation d’un quelconque signal entre les deux qubits. Comment expliquer ce phénomène ? Malheureusement, la réponse n’existe pas encore.

L’indépendance de l’intrication par rapport à la dislocation géographique des deux qubits intriqués est à la base de la téléportation, une technique utilisée par l’Internet quantique pour « déplacer » un état de qubit entre ordinateurs, même en l’absence d’un canal de communication quantique reliant directement l’émetteur de l’état de qubit au récepteur de cet état. La capacité de deux qubits intriqués à rester intriqués indépendamment de leur emplacement géographique est à la base de ce que l’on appelle la téléportation, qui permet de déplacer l’état des qubits entre deux ordinateurs même en l’absence d’un canal de communication quantique reliant directement l’émetteur de l’état du qubit au récepteur de cet état. La véritable magie réside dans le fait que l’état du qubit disparaît du côté de l’émetteur pour apparaître du côté du récepteur.

Pour être rigoureux, il faut souligner que la téléportation quantique n’est pas instantanée : pour reconstruire l’état initial, le récepteur doit connaître le résultat de la mesure effectuée par l’émetteur, qui est transmise par un canal de communication  » classique « , le signal ne peut donc pas voyager à une vitesse supérieure à celle de la lumière. Le lecteur aura déjà deviné que la téléportation sera le pilier sur lequel reposera l’Internet quantique et que, à l’instar de l’informatique quantique, elle promet d’ouvrir de nouvelles frontières scientifiques et technologiques actuellement imprévisibles.

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