Explication : Qu'est-ce qu'un ordinateur quantique ?

Image reproduite avec l'aimable autorisation de Rigetti Computing. Photo de Justin Fantl.

Ceci est le premier d'une série d'explications sur la technologie quantique. Les deux autres portent sur la communication quantique et la cryptographie post-quantique.

Un ordinateur quantique exploite certains des phénomènes presque mystiques de la mécanique quantique pour faire d'énormes progrès en matière de puissance de traitement. Les machines quantiques promettent de surpasser même les superordinateurs les plus performants d'aujourd'hui et de demain.

Cependant, ils n'élimineront pas les ordinateurs conventionnels. L'utilisation d'une machine classique restera la solution la plus simple et la plus économique pour résoudre la plupart des problèmes. Mais les ordinateurs quantiques promettent de propulser des avancées passionnantes dans divers domaines, de la science des matériaux à la recherche pharmaceutique. Les entreprises les expérimentent déjà pour développer des choses comme des batteries plus légères et plus puissantes pour les voitures électriques, et pour aider à créer de nouveaux médicaments.

Le secret de la puissance d'un ordinateur quantique réside dans sa capacité à générer et à manipuler des bits quantiques, ou qubits.

Qu'est-ce qu'un qubit ?

Les ordinateurs d'aujourd'hui utilisent des bits, un flux d'impulsions électriques ou optiques représentant un s ou 0 s. Tout, de vos tweets et e-mails à vos chansons iTunes et vidéos YouTube, est essentiellement de longues chaînes de ces chiffres binaires.

Les ordinateurs quantiques, quant à eux, utilisent des qubits, qui sont généralement des particules subatomiques telles que des électrons ou des photons. Générer et gérer des qubits est un défi scientifique et technique. Certaines entreprises, comme IBM, Google et Rigetti Computing, utilisent des circuits supraconducteurs refroidis à des températures plus froides que l'espace lointain. D'autres, comme IonQ, piègent des atomes individuels dans des champs électromagnétiques sur une puce de silicium dans des chambres à ultra-vide. Dans les deux cas, le but est d'isoler les qubits dans un état quantique contrôlé.

Les qubits ont des propriétés quantiques bizarres qui signifient qu'un groupe connecté d'entre eux peut fournir beaucoup plus de puissance de traitement que le même nombre de bits binaires. L'une de ces propriétés est connue sous le nom de superposition et une autre est appelée intrication.

Qu'est-ce que la superposition ?

Les qubits peuvent représenter de nombreuses combinaisons possibles de un et 0 en même temps. Cette capacité à être simultanément dans plusieurs états est appelée superposition. Pour mettre les qubits en superposition, les chercheurs les manipulent à l'aide de lasers de précision ou de faisceaux micro-ondes.

Grâce à ce phénomène contre-intuitif, un ordinateur quantique avec plusieurs qubits en superposition peut traiter simultanément un grand nombre de résultats potentiels. Le résultat final d'un calcul n'apparaît qu'une fois les qubits mesurés, ce qui provoque immédiatement l'effondrement de leur état quantique soit un ou 0 .

Qu'est-ce que l'enchevêtrement ?

Les chercheurs peuvent générer des paires de qubits intriqués, ce qui signifie que les deux membres d'une paire existent dans un seul état quantique. Changer l'état de l'un des qubits changera instantanément l'état de l'autre de manière prévisible. Cela se produit même s'ils sont séparés par de très longues distances.

Personne ne sait vraiment comment ni pourquoi l'intrication fonctionne. Cela a même déconcerté Einstein, qui l'a décrit comme une action effrayante à distance. Mais c'est la clé de la puissance des ordinateurs quantiques. Dans un ordinateur classique, doubler le nombre de bits double sa puissance de traitement. Mais grâce à l'intrication, l'ajout de qubits supplémentaires à une machine quantique produit une augmentation exponentielle de sa capacité à calculer.

Les ordinateurs quantiques exploitent des qubits intriqués dans une sorte de guirlande quantique pour opérer leur magie. La capacité des machines à accélérer les calculs à l'aide d'algorithmes quantiques spécialement conçus explique pourquoi leur potentiel suscite tant d'intérêt.

C'est la bonne nouvelle. La mauvaise nouvelle est que les machines quantiques sont beaucoup plus sujettes aux erreurs que les ordinateurs classiques en raison de la décohérence.

Qu'est-ce que la décohérence ?

L'interaction des qubits avec leur environnement d'une manière qui provoque la dégradation et finalement la disparition de leur comportement quantique est appelée décohérence. Leur état quantique est extrêmement fragile. La moindre vibration ou changement de température - des perturbations connues sous le nom de bruit dans le langage quantique - peut les faire tomber de la superposition avant que leur travail n'ait été correctement fait. C'est pourquoi les chercheurs font de leur mieux pour protéger les qubits du monde extérieur dans ces réfrigérateurs et chambres à vide surfondus.

Mais malgré leurs efforts, le bruit provoque toujours de nombreuses erreurs dans les calculs. Les algorithmes quantiques intelligents peuvent compenser certains d'entre eux, et l'ajout de plus de qubits aide également. Cependant, il faudra probablement des milliers de qubits standard pour en créer un seul, hautement fiable, connu sous le nom de qubit logique. Cela sapera une grande partie de la capacité de calcul d'un ordinateur quantique.

Et là est le hic : jusqu'à présent, les chercheurs n'ont pas été en mesure de générer plus de 128 qubits standard (voir notre compteur de qubits ici ). Il nous reste donc encore de nombreuses années à obtenir des ordinateurs quantiques qui seront largement utiles.

Cela n'a pas ébranlé les espoirs des pionniers d'être les premiers à démontrer la suprématie quantique.

Qu'est-ce que la suprématie quantique ?

C'est le point auquel un ordinateur quantique peut effectuer un calcul mathématique qui est manifestement hors de portée même du supercalculateur le plus puissant.

On ne sait toujours pas exactement combien de qubits seront nécessaires pour y parvenir, car les chercheurs continuent de trouver de nouveaux algorithmes pour améliorer les performances des machines classiques, et le matériel de supercalcul ne cesse de s'améliorer. Mais les chercheurs et les entreprises travaillent dur pour revendiquer le titre, en effectuant des tests contre certains des supercalculateurs les plus puissants du monde.

Il y a beaucoup de débats dans le monde de la recherche sur l'importance d'atteindre ce jalon. Plutôt que d'attendre que la suprématie soit déclarée, les entreprises commencent déjà à expérimenter des ordinateurs quantiques fabriqués par des entreprises comme IBM, Rigetti et D-Wave, une entreprise canadienne. Des entreprises chinoises comme Alibaba offrent également un accès aux machines quantiques. Certaines entreprises achètent des ordinateurs quantiques, tandis que d'autres utilisent ceux mis à disposition via les services de cloud computing .

Où un ordinateur quantique est-il susceptible d'être le plus utile en premier ?

L'une des applications les plus prometteuses des ordinateurs quantiques est la simulation du comportement de la matière jusqu'au niveau moléculaire. Les constructeurs automobiles comme Volkswagen et Daimler utilisent des ordinateurs quantiques pour simuler la composition chimique des batteries de véhicules électriques afin de trouver de nouvelles façons d'améliorer leurs performances. Et les sociétés pharmaceutiques les exploitent pour analyser et comparer des composés qui pourraient conduire à la création de nouveaux médicaments.

Les machines sont également idéales pour les problèmes d'optimisation car elles peuvent traiter très rapidement un grand nombre de solutions potentielles. Airbus, par exemple, les utilise pour aider à calculer les trajectoires de montée et de descente les plus économes en carburant pour les avions. Et Volkswagen a dévoilé un service qui calcule les itinéraires optimaux pour les bus et les taxis dans les villes afin de minimiser les embouteillages. Certains chercheurs pensent également que les machines pourraient être utilisées pour accélérer l'intelligence artificielle.

Cela pourrait prendre plusieurs années pour que les ordinateurs quantiques atteignent leur plein potentiel. Les universités et les entreprises qui y travaillent sont confrontées à une pénurie de chercheurs qualifiés dans le domaine et à un manque de fournisseurs de certains composants clés. Mais si ces nouvelles machines informatiques exotiques tiennent leurs promesses, elles pourraient transformer des industries entières et dynamiser l'innovation mondiale.

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