L’informatique quantique pour les curieux de qubits

Qu’est-ce que l’informatique quantique ? Les ordinateurs ordinaires fonctionnent selon des règles strictes de logique. Mais de minuscules objets quantiques – tels que des électrons, ou des photons de lumière – peuvent briser ces règles

L’informatique quantique est l’idée que nous pouvons utiliser cette rupture de règles quantiques pour traiter l’information d’une nouvelle manière – une manière totalement différente de celle des ordinateurs ordinaires. Cela les rend, dans certains cas, exponentiellement plus rapides que n’importe quel ordinateur ordinaire.

Par exemple, un ordinateur quantique pourrait facilement craquer les codes qui assurent la sécurité des services bancaires sur Internet.

Donc, comme un superordinateur ?

Pas exactement. Un ordinateur quantique n’est pas simplement un ordinateur « plus rapide ». Il y a quelques tâches spécifiques – comme la factorisation de très grands nombres – pour lesquelles un ordinateur quantique serait étonnant. (C’est là qu’intervient le décryptage des codes – voir ci-dessous.) Mais pour la plupart des tâches, un ordinateur quantique serait à peine meilleur qu’un ordinateur ordinaire.

Alors, à quoi pourrait servir un ordinateur quantique ?

Ils seront probablement plus utiles aux agences gouvernementales, aux entreprises de recherche et développement et aux universités pour résoudre des problèmes auxquels les ordinateurs actuels ont du mal à répondre.

La première idée pratique, proposée par le physicien Richard Feynman en 1981, était d’utiliser un ordinateur quantique pour simuler la mécanique quantique. Cela aurait un impact sur la chimie et la biologie. Les chimistes, par exemple, pourraient modéliser avec précision les interactions entre les médicaments et les biologistes pourraient étudier toutes les façons possibles dont les protéines peuvent se replier et interagir les unes avec les autres.

Alors que les ordinateurs quantiques étaient autrefois une curiosité académique, l’intérêt a explosé en 1994 lorsque le mathématicien américain Peter Shor a trouvé un moyen d’utiliser les ordinateurs quantiques pour casser des codes.

À l’heure actuelle, de nombreux systèmes de sécurité en ligne fonctionnent sur le principe qu’il est pratiquement impossible de prendre un très grand nombre et de déterminer quels sont ses facteurs premiers. Tout ce qu’un ordinateur ordinaire peut faire est d’essayer toutes les possibilités les unes après les autres – une tâche qui pourrait prendre des milliards d’années. En utilisant l’algorithme de Shor, un ordinateur quantique pourrait accomplir cette tâche en quelques heures.

Les ordinateurs quantiques pourraient également être fantastiques pour reconnaître des modèles dans les données – utiles pour les problèmes d’apprentissage automatique, comme être capable d’identifier différents objets dans une image. Ils pourraient être formidables pour construire des modèles permettant de prédire l’avenir, comme dans les prévisions météorologiques à long terme.

Mais en définitive, les utilisations de l’informatique quantique sont imprévisibles. Considérez qu’en 1943, Thomas Watson, le président d’IBM, a déclaré : « Je pense qu’il y a un marché mondial pour peut-être cinq ordinateurs. » Aujourd’hui, il y en a cinq dans chaque foyer.

Si les précédents sont un guide, nous devons encore imaginer quelles seront les utilisations des ordinateurs quantiques.

Comment fonctionne l’informatique quantique ?

Les ordinateurs ordinaires sont basés sur des « bits » – imaginez-les comme de petits interrupteurs pointant vers un 1 ou un 0.

L’informatique quantique repose sur des bits quantiques, ou « qubits », qui peuvent également représenter un 0 ou un 1. Ce qui est fou, c’est que les qubits peuvent aussi atteindre un état mixte, appelé « superposition », où ils sont à la fois 1 et 0 en même temps. Cette ambiguïté – la capacité à la fois d' »être » et de « ne pas être » – est la clé de la puissance de l’informatique quantique.

En quoi la superposition est-elle utile ?

La différence entre les ordinateurs ordinaires et les ordinateurs quantiques se résume à la façon dont ils abordent un problème.

Un ordinateur ordinaire tente de résoudre un problème de la même façon que vous pourriez essayer de vous échapper d’un labyrinthe – en essayant tous les couloirs possibles, en rebroussant chemin devant des impasses, jusqu’à ce que vous finissiez par trouver la sortie. Mais la superposition permet à l’ordinateur quantique d’essayer tous les chemins à la fois – en substance, de trouver le raccourci.

Deux bits dans votre ordinateur peuvent être dans quatre états possibles (00, 01, 10 ou 11), mais un seul d’entre eux à tout moment. Cela limite l’ordinateur à traiter une entrée à la fois (comme essayer un couloir dans le labyrinthe).

Dans un ordinateur quantique, deux qubits peuvent également représenter exactement les quatre mêmes états (00, 01, 10 ou 11). La différence est que, en raison de la superposition, les qubits peuvent représenter les quatre en même temps. C’est un peu comme avoir quatre ordinateurs ordinaires fonctionnant côte à côte.

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 croît de manière exponentielle. Pour les amateurs de mathématiques, on peut dire que si vous avez « n » qubits, vous pouvez représenter simultanément 2n états.)

C’est comme cette vieille fable sur un ancien Indien, appelé Sessa, qui a inventé le jeu d’échecs. Le roi était ravi de ce jeu et demanda à Sessa de nommer sa récompense. Sessa demanda humblement un seul échiquier avec un grain de blé sur la première case, deux sur la deuxième, quatre sur la troisième et ainsi de suite. Le roi accepta immédiatement, sans se rendre compte qu’il avait promis plus de blé qu’il n’en existait sur Terre. C’est la puissance de la croissance exponentielle.

De même que chaque carré doublait le blé de Sessa, chaque qubit supplémentaire double la puissance de traitement. Trois qubits vous donnent 23, soit huit états en même temps ; quatre qubits vous donnent 24, soit 16. Et 64 qubits ? Ils vous donnent 264, soit 18 446 744 073 709 600 000 possibilités ! Cela représente environ un million de téraoctets.

Si 64 bits ordinaires peuvent aussi représenter ce nombre énorme (264) d’états, ils ne peuvent en représenter qu’un à la fois. Pour parcourir toutes ces combinaisons, à deux milliards par seconde (ce qui est une vitesse typique pour un PC moderne), il faudrait environ 400 ans.

Tout cela signifie que les ordinateurs quantiques pourraient s’attaquer à des problèmes « pratiquement impossibles » pour les ordinateurs classiques.

Mais pour obtenir cette accélération exponentielle, le sort de tous les qubits doit être lié entre eux dans un processus appelé intrication quantique. Ce phénomène bizarre, qu’Einstein appelait « action spooky à distance », peut connecter des particules quantiques même si elles se trouvent aux extrémités opposées de l’univers.

Qu’est-ce qu’un qubit ?

Pour fabriquer un qubit, il faut un objet qui peut atteindre un état de superposition quantique entre deux états.

Un noyau atomique est un type de qubit. La direction de son moment magnétique (son « spin ») peut pointer dans différentes directions, disons vers le haut ou vers le bas par rapport à un champ magnétique.

Le défi consiste à placer et ensuite à adresser cet atome unique.

Une équipe australienne dirigée par Michelle Simmons à l’Université de Nouvelle-Galles du Sud, a fabriqué des qubits atomiques en plaçant un seul atome de phosphore à une position connue à l’intérieur d’un cristal de silicium.

Une autre idée est de dépouiller l’atome d’un électron et de le transformer en un ion. Ensuite, vous pouvez utiliser des champs électromagnétiques pour suspendre l’ion dans l’espace libre, en tirant des lasers sur lui pour changer son état. Cela permet de créer un ordinateur quantique à « ions piégés ».

Un courant dans une boucle de métal supraconducteur peut également être en superposition (entre le sens des aiguilles d’une montre et le sens inverse), un peu comme un petit tapis roulant qui avance et recule en même temps.

Un photon de lumière peut être en superposition dans la direction où il ondule. Certains groupes ont assemblé des circuits quantiques en envoyant des photons dans un dédale de fibres optiques et de miroirs.

Comment crée-t-on la superposition ?

Avez-vous déjà essayé d’équilibrer une pièce de monnaie exactement sur sa tranche ? C’est à cela que ressemble la programmation d’un qubit. Il s’agit de faire quelque chose à un qubit pour que, dans un sens, il finisse par être « équilibré » entre les états.

Dans le cas du noyau atomique, cela pourrait être en le zappant avec un champ électrique ou magnétique, le laissant avec une probabilité égale de tourner dans un sens ou dans l’autre.

Alors, comment lisez-vous l’information à partir des qubits ?

Il y a une aura de mystique sur ce qui se passe pendant un calcul quantique. Les physiciens les plus effrontés décrivent les qubits comme s’engageant dans une sorte de séance quantique avec des mondes parallèles pour deviner la réponse.

Mais ce n’est pas de la magie, c’est juste de la mécanique quantique.

Disons que vous avez votre nouvel ordinateur quantique de 64 qubits prêt à fonctionner pour son premier calcul. Vous placez les 64 qubits en superposition, comme 64 pièces de monnaie toutes équilibrées sur la tranche. Ensemble, ils détiennent 264 états possibles dans les limbes. Vous savez qu’un de ces états représente la bonne réponse. Mais lequel ?

Le problème, c’est que la lecture des qubits entraîne l’effondrement de la superposition – comme si vous tapiez du poing sur la table avec toutes ces pièces équilibrées.

C’est là qu’un algorithme quantique comme celui de Shor est utile. Il charge les qubits pour les rendre plus susceptibles de tomber du bon côté, et nous donner la bonne réponse.

Des ordinateurs quantiques ont-ils déjà été construits ?

Apparemment oui, même si aucun d’entre eux ne peut encore faire quoi que ce soit de plus que les ordinateurs conventionnels.

Les trois dernières années ont vu des progrès spectaculaires dans l’informatique quantique. Alors qu’en 2016, la revue Nature célébrait un ordinateur à neuf qubits mis au point par des chercheurs de Google. Dix-huit mois plus tard, en décembre 2017, IBM faisait état de son ordinateur quantique de 50 qubits. En l’espace de quatre mois, Google a de nouveau pris une longueur d’avance avec son ordinateur quantique « Bristlecone » de 72 qubits. Entre-temps, IBM a produit le premier ordinateur quantique commercialement disponible – fournissant un accès au cloud à sa machine Q System One de 20 qubits, moyennant un prix.

D-Wave a encore une longueur d’avance avec son de créer en utilisant 2000 boucles supraconductrices comme qubits, bien que certains physiciens soient sceptiques quant au fait que D-Wave ait construit un véritable ordinateur quantique.

Tous les grands acteurs ont en ligne de mire la prochaine étape majeure : la « suprématie quantique ». C’est-à-dire lorsqu’un ordinateur quantique résout un problème au-delà des capacités des machines classiques. Théoriquement, cela devrait être possible avec une machine de 50 qubits, mais seulement si les taux d’erreur sont suffisamment bas.

Pourquoi est-il si difficile de construire un ordinateur quantique ?

Il y a des défis à tous les niveaux, de l’assemblage des qubits à la lecture et à l’écriture d’informations sur ces derniers, en passant par la navette d’informations dans les deux sens sans qu’elles disparaissent dans une bouffée d’incertitude.

Un qubit est la diva ultime. Alors qu’une starlette hollywoodienne pourrait exiger une gigantesque loge et un bain rempli de pétales de rose, un qubit exige un isolement parfait et un thermostat réglé à un centième de degré au-dessus du zéro absolu. La moindre vibration d’un atome voisin peut amener un qubit à piquer une colère quantique et à perdre sa superposition.

La difficulté primordiale est de savoir comment maintenir les états délicats de superposition et d’intrication suffisamment longtemps pour effectuer un calcul – ce que l’on appelle le temps de cohérence.

Malgré ce défi de taille, la course à la construction du premier ordinateur quantique pratique est devenue l’un des grands défis scientifiques de notre époque – impliquant des milliers de physiciens et d’ingénieurs dans des dizaines d’instituts de recherche dispersés dans le monde entier.