Les ordinateurs quantiques sérieux sont enfin là. Qu'allons-nous faire d'eux ?

Jérémy Liebmann

À l'intérieur d'un petit laboratoire situé dans une campagne luxuriante à environ 80 km au nord de New York, un enchevêtrement élaboré de tubes et d'électronique pend du plafond. Ce gâchis d'équipement est un ordinateur. Pas n'importe quel ordinateur, mais un ordinateur sur le point de franchir ce qui pourrait peut-être devenir l'un des jalons les plus importants de l'histoire du domaine.

Les ordinateurs quantiques promettent d'exécuter des calculs bien au-delà de la portée de tout supercalculateur conventionnel. Ils pourraient révolutionner la découverte de nouveaux matériaux en permettant de simuler le comportement de la matière jusqu'au niveau atomique. Ou ils pourraient bouleverser la cryptographie et la sécurité en craquant des codes autrement invincibles. On espère même qu'ils suralimenteront l'intelligence artificielle en analysant les données plus efficacement.

Cette histoire faisait partie de notre numéro de mars 2018

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Pourtant, ce n'est que maintenant, après des décennies de progrès graduels, que les chercheurs sont enfin sur le point de construire des ordinateurs quantiques suffisamment puissants pour faire des choses que les ordinateurs conventionnels ne peuvent pas faire. C'est un point de repère quelque peu théâtralement surnommé la suprématie quantique. Google a mené la charge vers cette étape importante, tandis qu'Intel et Microsoft ont également déployé d'importants efforts quantiques. Et puis il y a des startups bien financées, notamment Rigetti Computing, IonQ et Quantum Circuits.

La nature est quantique, putain de merde ! Donc, si nous voulons le simuler, nous avons besoin d'un ordinateur quantique.

Cependant, aucun autre concurrent ne peut égaler le pedigree d'IBM dans ce domaine. Il y a 50 ans, l'entreprise a produit des avancées dans la science des matériaux qui ont jeté les bases de la révolution informatique. C'est pourquoi, en octobre dernier, je me suis retrouvé au centre de recherche Thomas J. Watson d'IBM pour essayer de répondre à ces questions : à quoi, le cas échéant, un ordinateur quantique sera-t-il bon ? Et peut-on même en construire un pratique et fiable ?

Pourquoi nous pensons avoir besoin d'un ordinateur quantique

Le centre de recherche, situé à Yorktown Heights, ressemble un peu à une soucoupe volante telle qu'imaginée en 1961. Il a été conçu par l'architecte néo-futuriste Eero Saarinen et construit à l'apogée d'IBM en tant que fabricant de grandes machines de bureau. IBM était la plus grande société d'informatique au monde et, une décennie après la construction du centre de recherche, elle était devenue la cinquième plus grande entreprise de tout type au monde, juste derrière Ford et General Electric.

Alors que les couloirs du bâtiment donnent sur la campagne, la conception est telle qu'aucun des bureaux à l'intérieur n'a de fenêtre. C'est dans une de ces pièces cloîtrées que j'ai rencontré Charles Bennett. Aujourd'hui âgé de 70 ans, il a de grands favoris blancs, porte des chaussettes noires avec des sandales et arbore même un protecteur de poche contenant des stylos. Entouré de vieux écrans d'ordinateur, de modèles de chimie et, curieusement, d'une petite boule à facettes, il a rappelé la naissance de l'informatique quantique comme si c'était hier.

Charles Bennett d'IBM Research est l'un des pères fondateurs de la théorie de l'information quantique. Son travail chez IBM a contribué à créer une base théorique pour l'informatique quantique. Bartek Sadowski

Lorsque Bennett a rejoint IBM en 1972, la physique quantique avait déjà un demi-siècle, mais l'informatique reposait encore sur la physique classique et la théorie mathématique de l'information que Claude Shannon avait développée au MIT dans les années 1950. C'est Shannon qui a défini la quantité d'informations en termes de nombre de bits (un terme qu'il a popularisé mais qu'il n'a pas inventé) nécessaires pour les stocker. Ces morceaux, les 0 sable un s de code binaire, sont à la base de tout calcul classique.

Un an après son arrivée à Yorktown Heights, Bennett a contribué à jeter les bases d'une théorie de l'information quantique qui remettrait en question tout cela. Elle repose sur l'exploitation du comportement particulier des objets à l'échelle atomique. À cette taille, une particule peut exister superposée dans de nombreux états (par exemple, de nombreuses positions différentes) à la fois. Deux particules peuvent également présenter un enchevêtrement, de sorte que le changement d'état de l'une peut affecter instantanément l'autre.

Bennett et d'autres ont réalisé que certains types de calculs prenant beaucoup de temps, voire impossibles, pouvaient être effectués efficacement à l'aide de phénomènes quantiques. Un ordinateur quantique stockerait les informations en bits quantiques, ou qubits. Les qubits peuvent exister dans des superpositions de un et 0 , et l'intrication et une astuce appelée interférence peuvent être utilisées pour trouver la solution d'un calcul sur un nombre exponentiellement grand d'états. Il est extrêmement difficile de comparer les ordinateurs quantiques et classiques, mais en gros, un ordinateur quantique avec seulement quelques centaines de qubits serait capable d'effectuer plus de calculs simultanément qu'il n'y a d'atomes dans l'univers connu.

À l'été 1981, IBM et le MIT ont organisé un événement historique appelé la première conférence sur la physique du calcul. Il a eu lieu à Endicott House, un manoir à la française non loin du campus du MIT.

Sur une photo que Bennett a prise lors de la conférence, plusieurs des personnalités les plus influentes de l'histoire de l'informatique et de la physique quantique peuvent être vues sur la pelouse, notamment Konrad Zuse, qui a développé le premier ordinateur programmable, et Richard Feynman, un contributeur important à théorie des quanta. Feynman a prononcé le discours d'ouverture de la conférence, dans lequel il a soulevé l'idée de l'informatique utilisant des effets quantiques. Le plus grand coup de pouce que la théorie de l'information quantique a reçu est de Feynman, m'a dit Bennett. Il a dit : « La nature est quantique, putain de merde ! Donc, si nous voulons le simuler, nous avons besoin d'un ordinateur quantique.

L'ordinateur quantique d'IBM, l'un des plus prometteurs qui existent, est situé juste au bout du couloir du bureau de Bennett. La machine est conçue pour créer et manipuler l'élément essentiel d'un ordinateur quantique : les qubits qui stockent les informations.

Ce laboratoire d'IBM abrite des machines quantiques connectées au cloud. jeremy liebman

L'écart entre le rêve et la réalité

La machine IBM exploite les phénomènes quantiques qui se produisent dans les matériaux supraconducteurs. Par exemple, le courant circule parfois dans le sens des aiguilles d'une montre et dans le sens inverse des aiguilles d'une montre en même temps. L'ordinateur d'IBM utilise des circuits supraconducteurs dans lesquels deux états d'énergie électromagnétique distincts constituent un qubit.

L'approche supraconductrice présente des avantages majeurs. Le matériel peut être fabriqué à l'aide de méthodes de fabrication bien établies, et un ordinateur conventionnel peut être utilisé pour contrôler le système. Les qubits d'un circuit supraconducteur sont également plus faciles à manipuler et moins délicats que les photons ou les ions individuels.

Dans le laboratoire quantique d'IBM, les ingénieurs travaillent sur une version de l'ordinateur avec 50 qubits. Vous pouvez exécuter une simulation d'un simple ordinateur quantique sur un ordinateur normal, mais à environ 50 qubits, cela devient presque impossible. Cela signifie qu'IBM approche théoriquement du point où un ordinateur quantique peut résoudre des problèmes qu'un ordinateur classique ne peut pas : en d'autres termes, la suprématie quantique.

Mais comme les chercheurs d'IBM vous le diront, la suprématie quantique est un concept insaisissable. Vous auriez besoin des 50 qubits pour fonctionner parfaitement, alors qu'en réalité les ordinateurs quantiques sont en proie à des erreurs qui doivent être corrigées. Il est également diaboliquement difficile de maintenir des qubits pendant une durée indéterminée ; ils ont tendance à décohérer ou à perdre leur nature quantique délicate, un peu comme un anneau de fumée se brise au moindre courant d'air. Et plus il y a de qubits, plus les deux défis deviennent difficiles.

Si vous aviez 50 ou 100 qubits et qu'ils fonctionnaient vraiment assez bien et étaient entièrement corrigés des erreurs, vous pourriez faire des calculs insondables qui ne peuvent être reproduits sur aucune machine classique, maintenant ou jamais, déclare Robert Schoelkopf, professeur et fondateur de Yale d'une société appelée Quantum Circuits. Le revers de la médaille de l'informatique quantique est qu'il existe des façons exponentielles de se tromper.

Les puces à l'intérieur de l'ordinateur quantique d'IBM (en bas) sont refroidies à 15 millikelvins. jeremy liebman

Une autre raison de prudence est qu'il n'est pas évident à quel point un ordinateur quantique fonctionnant parfaitement serait utile. Cela n'accélère pas simplement n'importe quelle tâche que vous lui lancez; en fait, pour de nombreux calculs, il serait en fait plus lent que les machines classiques. Jusqu'à présent, seule une poignée d'algorithmes ont été conçus pour lesquels un ordinateur quantique aurait clairement un avantage. Et même pour ceux-là, cet avantage pourrait être de courte durée. L'algorithme quantique le plus célèbre, développé par Peter Shor au MIT, consiste à trouver les facteurs premiers d'un nombre entier. De nombreux schémas cryptographiques courants reposent sur le fait que cela est difficile à faire pour un ordinateur conventionnel. Mais la cryptographie pourrait s'adapter, créant de nouveaux types de codes qui ne reposent pas sur la factorisation.

Ce qui motive le battage médiatique, c'est la prise de conscience que l'informatique quantique est réellement réelle. Ce n'est plus le rêve d'un physicien, c'est le cauchemar d'un ingénieur.

C'est pourquoi, alors même qu'ils approchent du cap des 50 qubits, les propres chercheurs d'IBM tiennent à dissiper le battage médiatique qui l'entoure. À une table dans le couloir qui donne sur la pelouse luxuriante à l'extérieur, j'ai rencontré Jay Gambetta, un Australien grand et décontracté qui fait des recherches sur les algorithmes quantiques et les applications potentielles pour le matériel d'IBM. Nous sommes à ce stade unique, dit-il, choisissant ses mots avec soin. Nous avons cet appareil qui est plus compliqué que ce que vous pouvez simuler sur un ordinateur classique, mais il n'est pas encore contrôlable avec la précision que vous pourriez faire avec les algorithmes que vous savez faire.

Ce qui donne de l'espoir aux IBMers, c'est que même un ordinateur quantique imparfait pourrait encore être utile.

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Gambetta et d'autres chercheurs se sont concentrés sur une application envisagée par Feynman en 1981. Les réactions chimiques et les propriétés des matériaux sont déterminées par les interactions entre les atomes et les molécules. Ces interactions sont régies par des phénomènes quantiques. Un ordinateur quantique peut, du moins en théorie, les modéliser d'une manière qu'un ordinateur conventionnel ne peut pas.

L'année dernière, Gambetta et ses collègues d'IBM ont utilisé une machine à sept qubits pour simuler la structure précise de l'hydrure de béryllium. Avec seulement trois atomes, c'est la molécule la plus complexe jamais modélisée avec un système quantique. En fin de compte, les chercheurs pourraient utiliser des ordinateurs quantiques pour concevoir des cellules solaires plus efficaces, des médicaments plus efficaces ou des catalyseurs qui transforment la lumière du soleil en carburants propres.

Ces objectifs sont loin d'être atteints. Mais, dit Gambetta, il peut être possible d'obtenir des résultats précieux à partir d'une machine quantique sujette aux erreurs associée à un ordinateur classique.

Du rêve d'un physicien au cauchemar d'un ingénieur

Ce qui motive le battage médiatique, c'est la prise de conscience que l'informatique quantique est réellement réelle, déclare Isaac Chuang, un professeur du MIT mince et à la voix douce. Ce n'est plus le rêve d'un physicien, c'est le cauchemar d'un ingénieur.

Chuang a dirigé le développement de certains des premiers ordinateurs quantiques, travaillant chez IBM à Almaden, en Californie, à la fin des années 1990 et au début des années 2000. Bien qu'il n'y travaille plus, il pense que nous sommes au début de quelque chose de très grand, que l'informatique quantique finira même par jouer un rôle dans l'intelligence artificielle.

Mais il soupçonne également que la révolution ne commencera pas vraiment tant qu'une nouvelle génération d'étudiants et de hackers n'aura pas l'occasion de jouer avec des machines pratiques. Les ordinateurs quantiques nécessitent non seulement des langages de programmation différents, mais une façon fondamentalement différente de penser à ce qu'est la programmation. Comme le dit Gambetta : nous ne savons pas vraiment quel est l'équivalent de 'Hello, world' sur un ordinateur quantique.

Nous commençons à le savoir. En 2016, IBM a connecté un petit ordinateur quantique au cloud. À l'aide d'un kit d'outils de programmation appelé QISKit, vous pouvez y exécuter des programmes simples. des milliers de personnes, des chercheurs universitaires aux écoliers, ont construit des programmes QISKit qui exécutent des algorithmes quantiques de base. Maintenant, Google et d'autres entreprises mettent également en ligne leurs ordinateurs quantiques naissants. Vous ne pouvez pas faire grand-chose avec eux, mais au moins ils donnent aux gens en dehors des principaux laboratoires un avant-goût de ce qui peut arriver.

La communauté des startups s'enthousiasme également. Peu de temps après avoir vu l'ordinateur quantique d'IBM, je suis allé à l'école de commerce de l'Université de Toronto pour participer à un concours de pitch pour les startups quantiques. Des équipes d'entrepreneurs se sont nerveusement levées et ont présenté leurs idées à un groupe de professeurs et d'investisseurs. Une entreprise espérait utiliser des ordinateurs quantiques pour modéliser les marchés financiers. Un autre prévoyait de leur faire concevoir de nouvelles protéines. Un autre encore voulait construire des systèmes d'IA plus avancés. Ce qui n'a pas été reconnu dans la salle, c'est que chaque équipe proposait une entreprise basée sur une technologie si révolutionnaire qu'elle existe à peine. Peu semblaient intimidés par ce fait.

Cet engouement pourrait s'aigrir si les premiers ordinateurs quantiques tardent à trouver une utilisation pratique. La meilleure supposition de ceux qui connaissent vraiment les difficultés - des gens comme Bennett et Chuang - est que les premières machines utiles sont encore dans plusieurs années. Et cela suppose que le problème de la gestion et de la manipulation d'une grande collection de qubits ne s'avérera finalement pas insoluble.

Pourtant, les experts gardent espoir. Quand je lui ai demandé à quoi ressemblerait le monde quand mon fils de deux ans serait grand, Chuang, qui a appris à utiliser des ordinateurs en jouant avec des puces électroniques, a répondu avec un sourire. Peut-être que votre enfant aura un kit pour construire un ordinateur quantique, a-t-il dit.

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