Qubits : au fondement des or­di­na­teurs quan­tiques

Ce que les bits sont aux or­di­na­teurs clas­siques s’appelle « qubits » pour les or­di­na­teurs quan­tiques. Con­trai­re­ment aux bits binaires, les qubits peuvent se retrouver si­mul­ta­né­ment à l’état 1 et 0 jusqu’au moment précis d’une mesure de données. Cette propriété de mécanique quantique fon­da­men­tale marque l’avènement d’une ré­vo­lu­tion dans les tech­no­lo­gies in­for­ma­tiques et doit permettre aux or­di­na­teurs quan­tiques de fournir des per­for­mances des milliers de fois plus rapides que les PC con­ven­tion­nels.

L’avenir de l’in­for­ma­tique s’écrit en quelques lettres : qubits. Derrière ce mot énig­ma­tique se cache l’unité de calcul la plus élé­men­taire à la base de l’in­for­ma­tique quantique, le « bit quantique ». Elle diffère sen­si­ble­ment du bit bien plus connu de nos or­di­na­teurs con­tem­po­rains. Les qubits sont définis comme un système quantique à deux états, c’est-à-dire qu’ils peuvent prendre deux états en même temps. Ils cons­ti­tuent la base élé­men­taire des or­di­na­teurs quan­tiques.

Pour com­prendre le fonc­tion­ne­ment des qubits, nous devons d’abord nous pencher sur trois principes fon­da­men­taux de la mécanique quantique :

• La su­per­po­si­tion fait référence à des systèmes quan­tiques qui peuvent prendre deux états en même temps. On peut illustrer ce principe aisément en s’appuyant sur l’exemple du système binaire : au lieu de 1 ou 0, les systèmes quan­tiques peuvent présenter 1 et 0 ainsi que de nombreux autres états in­ter­mé­diaires en même temps jusqu’au moment de la mesure des données.
• L’in­tri­ca­tion ou en­che­vê­tre­ment quantique fait référence à un phénomène de mécanique quantique, décrit par Albert Einstein comme une « action fan­to­ma­tique à distance ». Il s’agit de deux par­ti­cules ou plus qui sont en­tre­la­cées et créent un système global in­ter­dé­pen­dant au lieu d’une suc­ces­sion d’états isolés définis. Si des mo­di­fi­ca­tions sont apportées à une particule, elles affectent également les par­ti­cules corrélées du système.
• L’ef­fon­dre­ment ou dé­co­hé­rence quantique cor­res­pond au moment où les systèmes qui se situaient dans un état de su­per­po­si­tion non définie « s’ef­fondrent » sous le coup de la mesure ou de l’ob­ser­va­tion. Ils passent donc dans un état défini tel que 1 ou 0.

Les trois principes se re­trou­vent dans les qubits et donc dans l’in­for­ma­tique quantique. Ils sont également la raison pour laquelle des gou­ver­ne­ments et des en­tre­prises comme IBM, Google et Microsoft placent de grands espoirs dans les or­di­na­teurs quan­tiques. Bien que l’uti­li­sa­tion pratique des or­di­na­teurs quan­tiques relève encore d’un lointain horizon, les qubits recèlent de po­ten­tia­li­tés ini­ma­gi­nables en matière de per­for­mances et de notre com­pré­hen­sion des or­di­na­teurs.

Le bit n’a qu’une chose en commun avec le bit quantique : les deux sont la plus petite unité de calcul et de stockage dans leur système in­for­ma­tique respectif. Les si­mi­li­tudes se terminent toutefois déjà à ce stade, car con­trai­re­ment à l’unité de mesure binaire de nos or­di­na­teurs clas­siques, le bit quantique est une unité de mesure de mécanique quantique. Mais que signifie pré­ci­sé­ment cela ?

Il convient de com­prendre comment fonc­tionne le bit au départ. Beaucoup se sont fa­mi­lia­ri­sés avec les uns et les zéros binaires, et ce au plus tard depuis que la série de films « Matrix » a amené des sujets complexes tels que l’in­tel­li­gence ar­ti­fi­cielle et les si­mu­la­tions in­for­ma­tiques sur le devant de la scène auprès d’un million de spec­ta­teurs. Un bit est basé sur ce code binaire et re­pré­sente la plus petite unité de données des tech­no­lo­gies nu­mé­riques. Les bits peuvent présenter l’état 1 comme « vrai/activé » ou 0 comme « faux/désactivé ».

Les qubits quant à eux ne sont pas fondés sur un code binaire, et n’ont donc pas à « faire un choix ». En droite ligne avec le concept de su­per­po­si­tion associé à la mécanique quantique, un qubit présente ainsi si­mul­ta­né­ment les états 1 et 0. Il peut présenter en outre de nombreux états in­ter­mé­diaires comme « un tiers de 0 » ou « deux tiers de 1 ». Ce n’est qu’au moment de la mesure que les qubits sont dé­ter­mi­nés par un état binaire défini à travers la dé­co­hé­rence quantique.

Les pro­prié­tés mé­ca­niques quan­tiques du qubit dé­mul­ti­plient con­si­dé­ra­ble­ment la puissance de calcul des or­di­na­teurs quan­tiques par rapport aux or­di­na­teurs con­ven­tion­nels. Même avec 2 puissance 500 bits, il est im­pos­sible de traiter la même quantité de données aussi fa­ci­le­ment que 500 qubits. En revanche, 31 qubits occupent déjà une taille de mémoire de 32 Go. La taille de mémoire est doublée à chaque qubit sup­plé­men­taire.

Autre exemple : un or­di­na­teur qui ne calcule que des bits mettrait plusieurs millions d’années à calculer les facteurs premiers d’un nombre codé sur 2 050 bits. Les or­di­na­teurs quan­tiques peuvent accomplir des tâches de ce type en quelques minutes en résolvant les tâches en même temps plutôt que l’une après l’autre. Ces avantages évidents sont appelés à ré­vo­lu­tion­ner la façon dont les ensembles de données complexes et vo­lu­mi­neux sont traités et analysés.

Les qubits doivent être générés avant de pouvoir être utilisés dans les or­di­na­teurs quan­tiques. Alors que les puces en silicium sont gé­né­ra­le­ment utilisées pour manipuler les bits clas­siques, les or­di­na­teurs quan­tiques re­quiè­rent de nouvelles tech­no­lo­gies. Dif­fé­rentes méthodes se proposent à cette fin. Par exemple, des ions sont « capturés » dans des champs mag­né­tiques et élec­triques ou des photons, des quasi-par­ti­cules et des atomes ar­ti­fi­ciels et réels sont utilisés. Dans le cas desdits « pièges à ions », les qubits sont également mesurés par rayon­ne­ment micro-ondes. Google utilise des puces quan­tiques, dans les­quelles des flux circulant en cercles re­pré­sen­tent un qubit chacun. Ici aussi, la mesure des qubits est effectuée par rayon­ne­ment micro-ondes.

L’uti­li­sa­tion de qubits dans les or­di­na­teurs quan­tiques ne se traduit pas seulement par une aug­men­ta­tion ex­po­nen­tielle des per­for­mances. De nouvelles tech­no­lo­gies ma­té­rielles et lo­gi­cielles et de nouvelles approches de pro­gram­ma­tion sont également né­ces­saires pour manipuler les qubits lus et stockés dans les grilles quan­tiques. Comme il s’agit de systèmes quan­tiques très volatils, des or­di­na­teurs sont requis pour relier de manière fiable des bits quan­tiques de l’ordre de quelques millions.

Un autre aspect essentiel de la tech­no­lo­gie in­for­ma­tique quantique actuelle est le re­froi­dis­se­ment approprié. Comme pour tous les systèmes in­for­ma­tiques, la gé­né­ra­tion de qubits hautes per­for­mances dégage de la chaleur. Pour offrir des per­for­mances optimales et sûres, les or­di­na­teurs quan­tiques doivent donc être refroidis près du point zéro de la tem­pé­ra­ture absolue (-273,15 degrés Celsius).

Il faudra attendre encore des années avant que des or­di­na­teurs quan­tiques réels n’in­ter­vien­nent au quotidien. Ils exigent l’avènement de nouvelles tech­no­lo­gies et de repenser le fonc­tion­ne­ment des or­di­na­teurs de fond en comble. Lorsque le moment sera venu, les qubits offrent de nombreux avantages pour dif­fé­rentes uti­li­sa­tions. En voici quelques-uns :

• E-commerce
• Cryp­to­gra­phie
• Recherche médicale
• Trai­te­ment, stockage et éva­lua­tion du Big Data et du Dark Data
• In­tel­li­gence ar­ti­fi­cielle
• Machine learning
• Data mining
• Si­mu­la­tions quan­tiques
• Éla­bo­ra­tion de modèles fi­nan­ciers complexes
• Tech­no­lo­gies in­tel­li­gentes
• Conduite autonome
• Recherche aé­ros­pa­tiale

Si l’on se fie aux pré­vi­sions de mul­ti­na­tio­nales comme IBM, Google et Microsoft, l’arrivée des premiers or­di­na­teurs quan­tiques uti­li­sables en pratique n’est plus qu’une question de temps. Les in­ves­tis­se­ments engagés à hauteur de millions et l’im­pli­ca­tion d’en­tre­prises dédiées comme Google AI ou D-Wave sont la preuve que l’in­for­ma­tique quantique est promise à un bel avenir. L’« Eagle » d’IBM avec ses 127 qubits est l’un des or­di­na­teurs quan­tiques les plus puissants à l’heure actuelle.

Google AI, d’autre part, a annoncé le 23 octobre 2019 que la puce Sycamore de Google a su résoudre la première des problèmes sur lesquels les meilleurs su­pe­ror­di­na­teurs se sont cassé les dents. Ce jalon est connu sous le nom de « su­pré­ma­tie quantique ». Mais des tech­no­lo­gies, logiciels et langages de pro­gram­ma­tion en­tiè­re­ment nouveaux devront voir le jour avant que la su­pé­rio­rité des or­di­na­teurs quan­tiques ne devienne réalité à part entière.