Les or­di­na­teurs quan­tiques : su­per­cal­cu­la­teurs du futur

L’in­for­ma­tique quantique, ou « quantum computing » en anglais, est vouée à ré­vo­lu­tion­ner les tech­no­lo­gies in­for­ma­tiques en prenant appui sur la mécanique quantique. Des principes tels que la su­per­po­si­tion ou l’in­tri­ca­tion quantique sont amenés à trouver une ap­pli­ca­tion pratique dans les or­di­na­teurs quan­tiques sous la forme de qubits afin de déboucher sur des or­di­na­teurs hautes per­for­mances offrant des per­for­mances presque il­li­mi­tées. Le devenir pratique des or­di­na­teurs quan­tiques se heurte à des obstacles tech­no­lo­giques tels que l’in­ter­con­nexion des qubits et les systèmes de re­froi­dis­se­ment modernes.

Qu’est-ce que l’in­for­ma­tique quantique ?

Un fantôme hante le monde des or­di­na­teurs, un fantôme du nom d’« in­for­ma­tique quantique ». Si toutes les pré­vi­sions se réalisent un jour et que les or­di­na­teurs quan­tiques par­vien­nent à maturité pour le marché, ils sont appelés à dé­clen­cher rien de moins qu’une ré­vo­lu­tion tech­no­lo­gique. Comment cela est-il censé fonc­tion­ner ? Grâce aux lois de la mécanique quantique. Il s’agit notamment de trois principes que l’on peut citer comme étant les piliers de l’in­for­ma­tique quantique :

• Su­per­po­si­tion : indique la capacité d’un système quantique à prendre si­mul­ta­né­ment plusieurs états, 1 et 0 au lieu de 1 ou 0.
• In­tri­ca­tion quantique : décrit un phénomène de mécanique quantique au cours duquel deux par­ti­cules ou plus sont en­che­vê­trées pour former un système global in­ter­con­necté ; les mo­di­fi­ca­tions apportées à une particule du système quantique intriqué affectent au­to­ma­ti­que­ment toutes les par­ti­cules in­ter­con­nec­tées.
• Dé­co­hé­rence quantique : indique le moment où les systèmes sont mesurés en situation de su­per­po­si­tion et entrent donc dans un état défini, de 1 et 0 à 1 ou 0.

Les or­di­na­teurs clas­siques sont basés sur le principe élec­trique binaire « on/off », « activé/désactivé » ou « 1/0 ». Les or­di­na­teurs quan­tiques, en revanche, s’appuient sur des états non-binaires, mul­ti­di­men­sion­nels et mé­ca­niques quan­tiques. Con­trai­re­ment aux or­di­na­teurs con­ven­tion­nels, ils ne résolvent pas les problèmes de manière suc­ces­sive, mais en parallèle et en même temps, même avec des entrées complexes. De cette façon, ils sont en mesure d’offrir une puissance de calcul plus im­por­tante et des temps de calcul con­si­dé­ra­ble­ment réduits.

Si tout se déroule comme prévu, les cal­cu­la­teurs quan­tiques s’ac­com­pag­ne­ront d’un bond en avant tech­no­lo­gique qui aura des ré­per­cus­sions dans tous les domaines du trai­te­ment de données complexe. Cela englobe entre autres l’e-commerce, le chif­fre­ment, la médecine, les tran­sac­tions fi­nan­cières ainsi que le Big Data, l’in­tel­li­gence ar­ti­fi­cielle et le machine learning.

Comment fonc­tionne l’in­for­ma­tique quantique ?

L’in­for­ma­tique quantique n’est pas facile à aborder. Au lieu de bits binaires, les cal­cu­la­teurs quan­tiques utilisent les qubits (bits quan­tiques) pour résoudre des problèmes ma­thé­ma­tiques et traiter des ensembles de données. Le bit classique est basé sur le code binaire.

Un bit ne peut prendre que l’un des deux états suivants : 1 ou 0. Les qubits, en revanche, fonc­tion­nent de manière non-binaire et adoptent les deux états si­mul­ta­né­ment : 1 et 0. L’approche de mécanique quantique augmente d’un million de fois le potentiel des or­di­na­teurs quan­tiques par rapport aux PC binaires en termes de per­for­mances. Les qubits peuvent adopter non seulement les états 1 et 0 si­mul­ta­né­ment, mais également un nombre infini d’états in­ter­mé­diaires. Comme les or­di­na­teurs quan­tiques traitent les in­for­ma­tions en même temps, ils sont capables de résoudre des tâches complexes qui sont im­pos­sibles à résoudre par des or­di­na­teurs clas­siques.

Su­per­po­si­tion et in­tri­ca­tion quantique

Une image simple illustre ce principe : imaginez le mode de fonc­tion­ne­ment des or­di­na­teurs clas­siques et des or­di­na­teurs quan­tiques par analogie avec un jeu à pile ou face. Les or­di­na­teurs clas­siques doivent attendre l’at­ter­ris­sage de la pièce pour continuer. Ils ne peuvent ap­pré­hen­der que l’état face (re­pré­sen­tant la valeur 0) ou l’état pile (re­pré­sen­tant la valeur 1). Les or­di­na­teurs quan­tiques, d’autre part, utilisent une pièce qui n’atterrit jamais, mais qui tourne cons­tam­ment dans l’air et incarne les côtés pile et face en même temps. Elle est à l’état de su­per­po­si­tion.

Les qubits n’adoptent un état binaire qu’au moment de la prise d’une mesure. Imaginez à nouveau la pièce en train de flotter dans l’air. Tant que personne ne regarde la pièce, celle-ci tourne dans l’air et re­pré­sente les côtés pile et face en même temps. Dès que l’ob­ser­va­tion ou la mesure de l’état a lieu, la pièce tombe au sol et montre le côté pile ou face. À ceci s’ajoute l’en­che­vê­tre­ment des qubits dans les or­di­na­teurs quan­tiques. Si un qubit change, les qubits in­ter­con­nec­tés changent également en raison de l’in­tri­ca­tion quantique. Cela augmente également la vitesse de calcul des or­di­na­teurs quan­tiques. Plusieurs qubits sont ensuite regroupés en registres quan­tiques de bits binaires pour effectuer des opé­ra­tions arith­mé­tiques.

Quelle est la hausse de per­for­mance apportée par les or­di­na­teurs quan­tiques ?

La science et l’industrie placent de grands espoirs dans la per­for­mance des cal­cu­la­teurs quan­tiques. Certains scien­ti­fiques s’attendent même à ce qu’ils puissent simuler le Big Bang et fournir la preuve de l’existence d’univers pa­ral­lèles. Malgré les défis tech­niques posés, il est un fait que les or­di­na­teurs quan­tiques offrent un potentiel illimité. Ainsi, un qubit présente plus de deux fois la puissance de calcul d’un bit, puisqu’il peut prendre si­mul­ta­né­ment les états 1 et 0 et de nombreux états in­ter­mé­diaires. La puissance de calcul se dé­mul­ti­plie à chaque qubit sup­plé­men­taire. Trois qubits peuvent adopter huit états en parallèle, 300 qubits déjà deux puissance 300 états.

Quels sont les avantages et les in­con­vé­nients de l’in­for­ma­tique quantique ?

Domaines d’ap­pli­ca­tions possibles des or­di­na­teurs quan­tiques

Il faudra patienter encore des années avant que les or­di­na­teurs quan­tiques puissent trouver une ap­pli­ca­tion pratique. Cependant, les avantages pré­vi­sibles pour les systèmes de données complexes et le trai­te­ment des données d’une manière générale per­met­tent d’entrevoir les domaines d’ap­pli­ca­tion suivants :

• si­mu­la­tions quan­tiques pour les sciences na­tu­relles et la médecine
• chimie quantique et biologie quantique
• éla­bo­ra­tion de modèles fi­nan­ciers complexes
• op­ti­mi­sa­tion de l’in­tel­li­gence ar­ti­fi­cielle et des systèmes d’auto-ap­pren­tis­sage
• op­ti­mi­sa­tion des tech­niques de chif­fre­ment en cryp­to­gra­phie
• tech­no­lo­gies in­tel­li­gentes telles que les Smart Grids (réseaux in­tel­li­gents), les villes in­tel­li­gentes et les maisons in­tel­li­gentes
• conduite autonome
• data mining
• aé­ros­pa­tial

Obstacles tech­niques aux or­di­na­teurs quan­tiques

La prin­ci­pale raison pour laquelle les or­di­na­teurs quan­tiques sont encore au stade du dé­ve­lop­pe­ment réside dans les exigences tech­niques associées. Par exemple, les qubits sont des systèmes quan­tiques très sensibles et volatils. Pour obtenir les résultats les plus précis possibles, les or­di­na­teurs quan­tiques doivent être capables d’in­ter­con­nec­ter de manière fiable des millions de qubits. Autre écueil : les cal­cu­la­teurs quan­tiques ne peuvent fonc­tion­ner qu’en étant très proches du point zéro de la tem­pé­ra­ture absolue (-273,15 degrés Celsius). Le re­froi­dis­se­ment des puces quan­tiques actuelles nécessite des jours et des systèmes de re­froi­dis­se­ment ul­tra­mo­dernes.

Les al­go­rithmes quan­tiques utilisés pour résoudre des problèmes complexes et pour le trai­te­ment des données sont basés sur de nouveaux pa­ra­digmes par rapport aux al­go­rithmes connus. Il s’agit notamment de la formation d’unités de calcul et de stockage mul­ti­di­men­sion­nelles et d’espaces de si­mu­la­tion, ce dont les or­di­na­teurs con­tem­po­rains ne sont pas capables. Pour cette raison, les or­di­na­teurs quan­tiques né­ces­si­tent de nouvelles tech­no­lo­gies ma­té­rielles et lo­gi­cielles pour convertir et traiter les jeux de données dans des formes com­pa­tibles avec le qubit. La façon de pro­gram­mer et les langages de pro­gram­ma­tion vont également explorer de nouvelles voies pour s’adapter aux principes de la mécanique quantique.

Où en est l’in­for­ma­tique quantique aujourd’hui ?

Il a été question de l’in­for­ma­tique quantique pour la première fois en 1980, lorsque le physicien Paul Benioff a décrit une variante de la machine de Turing fonc­tion­nant selon les principes de la mécanique quantique. À la fin des années 1980, le physicien théorique Richard Feynman et le ma­thé­ma­ti­cien Yuri Manin ont enfin formulé le potentiel de per­for­mance des or­di­na­teurs quan­tiques par rapport aux or­di­na­teurs clas­siques. Depuis, l’intérêt pour les or­di­na­teurs quan­tiques n’a cessé de croitre. La preuve en est que des gou­ver­ne­ments et des en­tre­prises comme IBM, Google et Microsoft œuvrent d’arrache-pied à la réa­li­sa­tion de l’in­for­ma­tique quantique et in­ves­tis­sent des millions de dollars.

En 2019, IBM a présenté un cal­cu­la­teur quantique avec 20 qubits. Le 23 octobre 2019, Google a proclamé à son tour avoir atteint la « su­pré­ma­tie quantique » avec sa puce Sycamore dans le cadre d’une coo­pé­ra­tion entre Google AI et la NASA. Sycamore aurait résolu pour la première fois des tâches que même les meilleurs su­per­cal­cu­la­teurs clas­siques ne peuvent pas résoudre. En 2020, IBM a fi­na­le­ment annoncé le dé­ve­lop­pe­ment de l’un des plus grands cal­cu­la­teurs quan­tiques appelés « Hum­ming­bird » avec 65 qubits. Le modèle IBM « Eagle » a suivi en 2021 avec 127 qubits.

Début 2023, un autre problème majeur de l’in­for­ma­tique quantique a été résolu : il était jusqu’à présent difficile de trans­fé­rer ef­fi­ca­ce­ment et de manière cohérente les données d’un or­di­na­teur quantique entre des puces. Mais il est désormais possible d’atteindre un taux de réussite allant jusqu’à 99,999993% lors du transfert entre deux puces.

Malgré le progrès constant de ces su­per­cal­cu­la­teurs, il est encore trop tôt pour s’attendre à ce qu’ils rem­pla­cent les or­di­na­teurs clas­siques de but en blanc. Une approche hybride avec une com­bi­nai­son de PC clas­siques et d’or­di­na­teurs quan­tiques est beaucoup plus probable. Elle offre l’avantage de fournir de premiers résultats à partir d’énormes quantités de données par les or­di­na­teurs quan­tiques, alors que celles-ci sont traitées jusqu’à main­te­nant par des su­per­cal­cu­la­teurs clas­siques plus précis selon le principe binaire.