Accueil / Tribunes / Les ordinateurs quantiques : comment ça marche ?
quantum computer close up
π Science et technologies

Les ordinateurs quantiques : comment ça marche ?

Landry Bretheau
Landry Bretheau
enseignant-chercheur en physique quantique à l'École polytechnique au sein du Laboratoire de Physique de la Matière Condensée (PMC*)

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 2N 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.

Un fléau pour un ordinateur quantique : la décohérence 

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.

Comment combattre la décohérence ? Isoler, isoler, isoler 

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.

Que peuvent réaliser les ordinateurs quantiques aujourd’hui et que nous réserve l’avenir ?

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
1http://​dx​.doi​.org/​1​0​.​1​1​0​3​/​P​R​X​Q​u​a​n​t​u​m​.​2​.​0​20343
2https://www.nature.com/articles/s41586-021–03268‑x
3https://www.nature.com/articles/s41586-019‑1197‑0
4https://www.nature.com/articles/s41586-019‑1666‑5

Auteurs

Landry Bretheau

Landry Bretheau

enseignant-chercheur en physique quantique à l'École polytechnique au sein du Laboratoire de Physique de la Matière Condensée (PMC*)

Landry Bretheau est diplômé de l’X (X2005) et a effectué son doctorat au CEA Saclay. Il a ensuite effectué deux post-docs successifs à l'ENS (France) et au MIT (USA). Depuis 2017, il construit un nouveau laboratoire – le QCMX Lab – avec son collègue Jean-Damien Pillet, qui explore la physique des circuits quantiques hybrides. Pour développer cette nouvelle activité, Landry Bretheau a reçu une bourse de jeune équipe de l’X, une bourse de jeune chercheur de l'Agence nationale française de la recherche (ANR JCJC) et une ERC Starting Grant du Conseil scientifique européen. Ses travaux ont conduit à des contributions majeures dans les domaines de la supraconductivité mésoscopique et des circuits quantiques, et ont été récompensés par l'obtention du prix de thèse de l’X et du prix scientifique Nicholas Kurti 2020.*PMC : une unité mixte de recherche CNRS, École polytechnique - Institut Polytechnique de Paris.