Les ordinateurs quantiques : comment ça marche ?

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

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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