Les ordinateurs quantiques : comment ça marche ?

Cet article a été publié en exclu­si­vi­té dans notre maga­zine Le 3,14 sur le quan­tique.
Décou­vrez-le ici.

Les uni­ver­si­tés et labo­ra­toires du monde entier ain­si que les grandes entre­prises les plus puis­santes, comme Google, IBM, Intel et Micro­soft, sont en train d’étudier et de déve­lop­per les ordi­na­teurs quan­tiques à un rythme effré­né. Les enjeux sont impor­tants. Mais en quoi consiste exac­te­ment cette technologie ?

Un ordi­na­teur quan­tique n’est pas vrai­ment un ‘ordi­na­teur’ en tant que tel, mais plu­tôt un super­cal­cu­la­teur, capable d’exé­cu­ter cer­tains algo­rithmes puis­sants beau­coup plus rapi­de­ment qu’un pro­ces­seur ordi­naire. Et ce en uti­li­sant les prin­cipes de la méca­nique quan­tique, qui dictent le com­por­te­ment des par­ti­cules élé­men­taires comme les pho­tons, les élec­trons et les atomes, mais aus­si celui de sys­tèmes plus gros comme les cir­cuits supraconducteurs.

De tels sys­tèmes per­mettent d’implémenter des bits quan­tiques (‘qubits’), des sys­tèmes quan­tiques à deux états, qui repré­sentent la brique com­pu­ta­tion­nelle de base en infor­ma­tion quantique.

Contrai­re­ment aux ordi­na­teurs clas­siques, qui codent les infor­ma­tions de façon binaire, les qubits ne sont pas limi­tés à ‘0’ et ‘1’ mais peuvent être dans n’im­porte quelle com­bi­nai­son (ou ‘super­po­si­tion’) des deux. Cette démul­ti­pli­ca­tion, asso­ciée au fait que N qubits peuvent éga­le­ment être com­bi­nés ou ‘intri­qués’ pour repré­sen­ter 2^N états simul­ta­né­ment, per­met ain­si de réa­li­ser des cal­culs en paral­lèle, ain­si ouvrant un immense champ de pos­si­bi­li­tés. Un ordi­na­teur quan­tique pour­rait donc, en prin­cipe, sur­pas­ser un ordi­na­teur clas­sique pour cer­taines tâches impor­tantes, comme le tri de grandes listes non triées ou la décom­po­si­tion de grands nombres en fac­teurs pre­miers. Cette der­nière consti­tue la base de la plu­part des algo­rithmes de cryp­tage en usage à l’heure actuelle – notam­ment pour les opé­ra­tions bancaires.

Les ordi­na­teurs quan­tiques actuels res­semblent à des grosses boîtes de conserve sus­pen­dues au pla­fond, refroi­dies proche du zéro abso­lu, aux­quelles pendent des cen­taines de câbles.

Les ordi­na­teurs quan­tiques ne res­semblent pas non plus à leurs homo­logues clas­siques. Les modèles actuels res­semblent plu­tôt à des grosses boîtes de conserve sus­pen­dues au pla­fond, refroi­dies proche du zéro abso­lu (-273.14 °C), aux­quelles pendent des cen­taines de câbles.

Qui­conque sou­hai­tant construire un ordi­na­teur quan­tique aujourd’­hui doit d’abord sur­mon­ter un gros pro­blème : le fait que les qubits sont extrê­me­ment fra­giles et dif­fi­ciles à sta­bi­li­ser. Toute inter­ac­tion avec le ‘bruit’ externe de leur envi­ron­ne­ment peut les faire s’ef­fon­drer comme un souf­flé et les faire perdre leur nature quan­tique dans un pro­ces­sus des­truc­teur connu sous le nom de déco­hé­rence. Si cela se pro­duit avant la fin de l’exé­cu­tion d’un algo­rithme, le résul­tat est un désordre confus (et non pas un résul­tat d’un cal­cul) car toute infor­ma­tion sto­ckée dans le qubit est per­due (ima­gi­nez un ordi­na­teur qui doit redé­mar­rer toutes les secondes). Et la dif­fi­cul­té à main­te­nir leur cohé­rence aug­mente à mesure que le nombre de qubits croît.  Si bien que même les pro­ces­seurs quan­tiques les plus avan­cés de nos jours peinent à dépas­ser les 60 qubits phy­siques. Or un dis­po­si­tif réel néces­si­te­rait plu­sieurs mil­liers de qubits…

En rai­son de ce pro­blème, un ordi­na­teur quan­tique doit être bien iso­lé du monde exté­rieur, ce qui néces­site des condi­tions très pré­cises : des sys­tèmes simples et très froids, à l’écart de toute nui­sance. Ce confi­ne­ment crée cepen­dant une situa­tion para­doxale, car plus l’ordinateur est iso­lé, plus il est dif­fi­cile pour nous de com­mu­ni­quer avec lui (pour que l’on accède aux résul­tats de ses cal­culs) et de contrô­ler ce qu’il fait.

Ces der­nières années, des qubits ont été fabri­qués à par­tir d’un cer­tain nombre de sys­tèmes iso­lés qui res­tent cohé­rents le temps d’exécuter des algo­rithmes. Il s’a­git notam­ment d’ions (des atomes aux­quels on ôte ou ajoute un élec­tron) pié­gés, d’atomes de ‘Ryd­berg’ ultra-froids, et de pho­tons (par­ti­cules de lumière). 

Un ordi­na­teur repo­sant sur les pièges à ions stocke les infor­ma­tions dans les niveaux d’énergie d’ions indi­vi­duels. C’est ain­si que sont for­més les qubits dans ce sys­tème. Les infor­ma­tions sont par­ta­gées entre ces qubits, puis des impul­sions laser mani­pulent leurs états et créent une intri­ca­tion entre eux. Cette tech­no­lo­gie est assez avan­cée et les cher­cheurs ont récem­ment réus­si à créer un état tota­le­ment intri­qué de ‘24-qubits-GHZ’ (GHZ pour ‘Green­ber­ger-Horne-Zei­lin­ger’) en uti­li­sant des ions de cal­cium¹.  

D’autres sys­tèmes sont basés sur des maté­riaux solides que l’on pour­rait inté­grer aux dis­po­si­tifs élec­tro­niques tra­di­tion­nels. Ces struc­tures, qui ont la taille d’un micron, sont petites à l’é­chelle du quo­ti­dien, mais grandes par rap­port aux atomes et peuvent se com­por­ter comme des par­ti­cules quan­tiques, tels des élec­trons ou des atomes. Dans cette famille ‘d‘objets quan­tiques arti­fi­ciels’ on peut citer les ‘points quan­tiques’ (minus­cules mor­ceaux de semi-conduc­teurs), les cir­cuits supra­con­duc­teurs, et les dia­mants conte­nant un type par­ti­cu­lier de défauts appe­lés ‘lacunes d’a­zote’. Un ordi­na­teur quan­tique basé sur des qubits supra­con­duc­teurs, par exemple, est refroi­di à des tem­pé­ra­tures de l’ordre du mil­li­kel­vin (ce qui est plus froid que l’es­pace inter­stel­laire) et est contrô­lé à l’aide de micro-ondes². 

Les cher­cheurs tentent éga­le­ment de déter­mi­ner les­quels de ces sys­tèmes feraient les meilleurs qubits. Un para­mètre impor­tant est, bien sûr, la résis­tance d’un qubit à la déco­hé­rence, qui peut être éva­luée en matière de ‘fidé­li­té’ d’une opé­ra­tion quan­tique. Même si la fidé­li­té n’est pas par­faite (à 100 %), toute valeur infé­rieure entraî­ne­ra des erreurs après de mul­tiples opé­ra­tions ; la plu­part des ordi­na­teurs quan­tiques actuels sont très sen­sibles aux erreurs.

Si les pro­to­coles de ‘cor­rec­tion d’er­reur quan­tique’ peuvent atté­nuer la déco­hé­rence, ils sont coû­teux d’un point de vue hard­ware et un sys­tème fonc­tion­nel doit être doté d’une fidé­li­té suf­fi­sam­ment éle­vée au départ. Les cher­cheurs pro­gressent tou­te­fois dans ce domaine et des tra­vaux récents ont mon­tré qu’une porte à deux qubits en entrée peut être fabri­quée à par­tir de deux points quan­tiques en sili­cium³. Cette porte peut atteindre une fidé­li­té de 98 % pour l’opération CROT, un com­po­sant essen­tiel d’un ordi­na­teur quantique.

L’i­dée d’un ordi­na­teur quan­tique a été avan­cée pour la pre­mière fois par le regret­té phy­si­cien et lau­réat du prix Nobel Richard Feyn­man dans les années 1980 pour simu­ler les équa­tions com­plexes de la méca­nique quan­tique, trop longues à résoudre sur un ordi­na­teur clas­sique. Aujourd’­hui, les domaines d’ap­pli­ca­tion sont beau­coup plus variés : cryp­to­gra­phie, simu­la­tion des pro­prié­tés des maté­riaux (en vue de les amé­lio­rer), réso­lu­tion ultra-rapide d’é­qua­tions dif­fé­ren­tielles et opti­mi­sa­tion de l’ap­pren­tis­sage auto­ma­tique. Le pro­grès est impres­sion­nant et les cher­cheurs sont pas­sés à l’intrication de seule­ment trois qubits à plus de 50 qubits ces der­nières années, avec un taux d’er­reur de 1 sur 1000.⁴

Bien qu’il soit dif­fi­cile de pré­voir ce que l’a­ve­nir nous réserve, il est peu pro­bable qu’un ordi­na­teur quan­tique plei­ne­ment fonc­tion­nel et com­mer­cia­le­ment viable voie le jour dans un ave­nir proche. C’est pareil pour un quel­conque type d’or­di­na­teur quan­tique per­son­nel. Un dis­po­si­tif quan­tique sera plus pro­ba­ble­ment uti­li­sé pour la recherche fon­da­men­tale, la R&D ou à des fins gou­ver­ne­men­tales et mili­taires pour commencer.

Aujourd’­hui, les cher­cheurs dans ce domaine font pro­gres­ser non seule­ment les machines phy­siques elles-mêmes (le hard­ware), mais déve­loppent à la fois des logi­ciels inno­vants (le soft­ware) avec de nou­veaux types d’al­go­rithmes spé­cia­le­ment adap­tés au monde quantique. 

Si l’in­for­ma­tique quan­tique repose bien sur des prin­cipes de la phy­sique fon­da­men­tale, elle pré­sente une for­mi­dable occa­sion pour les scien­ti­fiques de nom­breux domaines – de l’in­for­ma­tique, des mathé­ma­tiques, des sciences des maté­riaux et de l’in­gé­nie­rie – de tra­vailler ensemble. La route vers un ordi­na­teur quan­tique sera certes longue, mais elle nous per­met­tra de faire moult décou­vertes pas­sion­nantes tout au long du chemin. 

Propos recueillis par Isabelle Dumé