L’ordinateur quantique : tout comprendre en 15 minutes

Les ordi­na­teurs quan­tiques fonc­tionnent avec des bits quan­tiques, ou qubits, qui, contrai­re­ment aux bits infor­ma­tiques stan­dard ayant une valeur de soit 0 soit 1, peuvent être à la fois 0 et 1. Cette carac­té­ris­tique signi­fie que les ordi­na­teurs quan­tiques pour­raient être beau­coup plus rapides que les ordi­na­teurs clas­siques pour de nom­breuses tâches. Ils pour­raient éga­le­ment être uti­li­sés pour résoudre cer­tains pro­blèmes qu’un ordi­na­teur clas­sique ne peut pas résoudre. 

« Un ordi­na­teur quan­tique mani­pu­le­ra de nom­breux qubits dans un état mas­si­ve­ment super­po­sé : 0000 plus 1111, par exemple, explique Lan­dry Bre­theau. Dans cet état “intri­qué”, plu­sieurs cal­culs peuvent être effec­tués en paral­lèle. Un exemple concret : ima­gi­nez que le cal­cul, le pro­blème, soit de sor­tir d’un laby­rinthe. Com­ment s’y prendre ? Un être humain ou un pro­gramme infor­ma­tique va tes­ter dif­fé­rents che­mins. À chaque fois, il arri­ve­ra à une impasse, puis reven­dra sur ses pas. Il tes­te­ra ain­si tous les che­mins jusqu’à ce qu’il sorte du laby­rinthe. Mais un sys­tème quan­tique peut être dans une super­po­si­tion d’états, c’est-à-dire qu’il peut se trou­ver à plu­sieurs endroits en même temps. Il peut donc essayer d’explorer les dif­fé­rents che­mins en paral­lèle et sor­tir du laby­rinthe plus rapi­de­ment. »

Les qubits peuvent être fabri­qués à par­tir de dif­fé­rentes pla­te­formes ou briques de base maté­rielles, telles que les qubits supra­con­duc­teurs, les par­ti­cules élé­men­taires ou les ions pié­gés. D’autres méthodes en deve­nir sont les pro­ces­seurs quan­tiques pho­to­niques qui uti­lisent la lumière. « Nous uti­li­sons le terme d’ordinateur quan­tique, mais il serait pré­fé­rable de par­ler de pro­ces­seur quan­tique, car l’intégralité d’un cal­cul ne peut pas être implé­men­tée sur un ordi­na­teur quan­tique, seule­ment une petite par­tie, explique Loïc Hen­riet. Nous aurons tou­jours besoin d’un pro­ces­seur clas­sique pour orches­trer l’ensemble des taches de cal­cul. »

À l’heure actuelle, un pro­ces­seur quan­tique est encore au stade explo­ra­toire : il prend beau­coup de place — par exemple, celui sur lequel tra­vaille l’équipe de Loïc Hen­riet occupe une grosse boîte de 3 mètres sur 2 mètres sur 2 mètres. Un vide très pous­sé, de 10^-11 mbar, est éga­le­ment néces­saire pour pla­cer les qubits dans des posi­tions bien défi­nies dans l’espace. Cela cor­res­pond à peu près à la pres­sion à la sur­face de la lune.

L’optique sophis­ti­quée néces­saire pour contrô­ler les qubits se com­pose de lasers, de len­tilles et de miroirs. Pour coor­don­ner le fonc­tion­ne­ment de cha­cun de ces dif­fé­rents équi­pe­ments (qui consti­tuent le maté­riel ou hard­ware) et de les syn­chro­ni­ser, un logi­ciel embar­qué est néces­saire. Ce logi­ciel cor­res­pond au sys­tème d’exploitation du pro­ces­seur quantique.

Il existe de nom­breux domaines dans les­quels un ordi­na­teur quan­tique pour­rait s’avérer plus utile qu’un ordi­na­teur conven­tion­nel, que ce soit en termes de temps de cal­cul ou de qua­li­té des résul­tats obte­nus. L’exemple le plus connu est l’algorithme de Shor, qui per­met de fac­to­ri­ser effi­ca­ce­ment un grand nombre en fac­teurs pre­miers, pour des appli­ca­tions en cryp­to­gra­phie et en sécu­ri­té infor­ma­tique, par exemple. Les ordi­na­teurs quan­tiques seront éga­le­ment très per­for­mants dans l’utilisation d’algorithmes spé­ciaux pour résoudre des pro­blèmes d’optimisation com­plexes, tels que ceux liés à l’ordonnancement, au rou­tage et à la logis­tique. Ces pro­blèmes consistent à trou­ver la solu­tion opti­male par­mi un grand nombre de pos­si­bi­li­tés — le plus célèbre étant le pro­blème du « voya­geur de com­merce », qui doit trou­ver l’itinéraire le plus court pos­sible entre plu­sieurs villes. Les entre­prises de livrai­son et de logis­tique vou­dront cer­tai­ne­ment de ce fait adop­ter la tech­no­lo­gie quantique.

Les pro­blèmes liés à la réac­ti­vi­té des molé­cules en béné­fi­cie­ront éga­le­ment. « Il y a beau­coup de recherches dans ce domaine, explique Loïc Hen­riet. Avec un pro­ces­seur quan­tique, nous pour­rons effec­tuer des cal­culs beau­coup plus effi­caces pour déter­mi­ner la réac­ti­vi­té de cer­taines pro­téines, par exemple, ce qui aura d’énormes appli­ca­tions pour l’industrie phar­ma­ceu­tique et la syn­thèse de nou­veaux médi­ca­ments. Nous pour­rons éga­le­ment cal­cu­ler les pro­prié­tés de nou­veaux maté­riaux qui pré­sentent un inté­rêt dans de nom­breux domaines tech­no­lo­giques. »

L’apprentissage auto­ma­tique et l’intelligence arti­fi­cielle sont éga­le­ment des domaines d’application impor­tants, car les ordi­na­teurs quan­tiques devraient être en mesure d’améliorer les algo­rithmes d’apprentissage auto­ma­tique — poten­tiel­le­ment de manière spec­ta­cu­laire — en four­nis­sant des rou­tines d’optimisation plus rapides et plus effi­caces ou en explo­rant de nou­veaux modèles et de nou­velles archi­tec­tures. Il pour­rait s’agir d’un nou­veau mar­ché mas­sif, mais il dépen­dra de la construc­tion d’ordinateurs quan­tiques pra­tiques à grande échelle et du déve­lop­pe­ment d’algorithmes et d’applications capables de tirer par­ti de leurs capa­ci­tés uniques.

Pour qu’un ordi­na­teur quan­tique fonc­tionne, il doit être « uni­ver­sel », c’est-à-dire qu’il doit être capable de cor­ri­ger les erreurs dues à la nature impar­faite du maté­riel actuel et qui empêchent d’arriver au résul­tat final du cal­cul. La cause prin­ci­pale de ces erreurs est la déco­hé­rence des qubits eux-mêmes, qui détruit le carac­tère quan­tique des qubits et les ramène à l’état de bits clas­siques. La déco­hé­rence est pro­vo­quée par l’interaction des qubits avec leur environnement. 

La véri­table dif­fi­cul­té consiste donc à iso­ler effi­ca­ce­ment le sys­tème. Pour ce faire, les qubits doivent géné­ra­le­ment fonc­tion­ner à une tem­pé­ra­ture proche de 0 K, tout en étant pro­té­gés les uns des autres et de l’environnement. En plus de cela, des tech­niques de cor­rec­tion d’erreurs quan­tiques (QEC) peuvent être uti­li­sées dans le but d’atteindre une « infor­ma­tique quan­tique tolé­rante aux pannes ». Ces tech­niques consistent à uti­li­ser un grand nombre de qubits pour créer un « qubit logique » beau­coup moins sujet aux erreurs. Selon les experts, un véri­table « avan­tage », ou « supré­ma­tie » quan­tique ne pour­ra être atteint que lorsque les ordi­na­teurs quan­tiques fonc­tion­ne­ront avec un mil­lion de qubits. Et comme le record actuel est encore infé­rieur à 100 qubits, il reste encore beau­coup de che­min à parcourir.

Si, en théo­rie, rien n’empêche la créa­tion d’ordinateurs quan­tiques à grande échelle, il faut d’abord résoudre cer­tains pro­blèmes d’ingénierie d’envergure. « Les entre­prises consi­dèrent l’informatique quan­tique comme un inves­tis­se­ment stra­té­gique et ne veulent pas rater le virage, explique Loïc Hen­riet. Ce n’est plus main­te­nant une ques­tion de si, mais plu­tôt une ques­tion de quand le pro­ces­seur quan­tique fera par­tie inté­grante des solu­tions infor­ma­tiques. »

Nous sommes actuel­le­ment à l’aube d’une trans­for­ma­tion tech­no­lo­gique et, en France, nous avons les moyens d’être au cœur de cette révo­lu­tion, tant au niveau aca­dé­mique qu’au niveau des entre­prises et des start-ups. Bien sûr, les clients en bout de che­min et les entre­prises doivent aus­si être de la partie.

Depuis envi­ron cinq ans, nous assis­tons à une véri­table mon­tée en puissance 

« Cela dit, un ordi­na­teur quan­tique, uni­ver­sel ou non, ne rem­pla­ce­ra pas votre ordi­na­teur per­son­nel ou votre smart­phone de sitôt et les pre­miers clients seront cer­tai­ne­ment les gou­ver­ne­ments et les grandes entre­prises plu­tôt que le grand public, ajoute Lan­dry Bre­theau. Les scien­ti­fiques eux-mêmes seront éga­le­ment les pre­miers uti­li­sa­teurs et c’est pour­quoi le monde de l’informatique quan­tique inté­resse autant de dis­ci­plines : la chi­mie, la science des maté­riaux, la bio­lo­gie et la phy­sique. Cha­cune de ces dis­ci­plines va pro­po­ser un algo­rithme qui per­met­trait de résoudre une ques­tion bien pré­cise. »

« Depuis envi­ron cinq ans, nous assis­tons à une véri­table mon­tée en puis­sance », explique-t-il. Cer­tains parlent de « boum quan­tique » avec la créa­tion de nom­breuses start-ups et des levées de fonds importantes.

Psi­Quan­tum et IonQ, qui ont levé res­pec­ti­ve­ment 600 et 400 mil­lions d’euros, en sont deux exemples mar­quants. « En France, nous avons le Plan Quan­tum, annon­cé par le pré­sident Macron début 2021, et la start-up qui a le plus de vent en poupe d’un point de vue finan­cier en France à l’heure actuelle est Pas­qal, qui vient de lever 100 mil­lions d’euros. »

Bien que nous ne par­vien­drons pro­ba­ble­ment pas à fabri­quer un ordi­na­teur entiè­re­ment opé­ra­tion­nel et tolé­rant aux pannes dans les dix pro­chaines années, nous pou­vons être sûrs que nous ferons en cours de route des décou­vertes insoup­çon­nées qui seront poten­tiel­le­ment utiles et chan­ge­ront peut-être même le visage de la socié­té, tout comme l’informatique clas­sique l’a fait au cours des 50 der­nières années et, plus récem­ment, l’Internet.

« C’est une très belle période pour tra­vailler dans ce domaine, déclare Lan­dry Bre­theau. Il y a beau­coup d’excitation et le sec­teur évo­lue très vite. »

Isabelle Dumé

Décou­vrez éga­le­ment le numé­ro de notre maga­zine Le 3,14 sur le quan­tique.
À télé­char­ger ici.