L’informatique quantique pour les curieux de qubit

Qu’est-ce que l’informatique quantique ? Les ordinateurs ordinaires fonctionnent selon des règles logiques strictes. Mais de minuscules objets quantiques – tels que des électrons ou des photons de lumière – peuvent enfreindre ces règles

L’informatique quantique est l’idée que nous pouvons utiliser cette règle quantique pour traiter l’information d’une nouvelle manière — totalement différente du fonctionnement des ordinateurs ordinaires. Cela les rend, dans certains cas, exponentiellement plus rapides que n’importe quel ordinateur ordinaire.

Par exemple, un ordinateur quantique pourrait facilement déchiffrer les codes qui protègent les services bancaires par Internet.

Alors, comme un supercalculateur?

Pas exactement. Un ordinateur quantique n’est pas seulement un ordinateur « plus rapide ». Il y a quelques tâches spécifiques – telles que l’affacturage de très grands nombres – auxquelles un ordinateur quantique serait étonnant. (C’est là que le bris de code entre en jeu – voir ci-dessous.) Mais pour la plupart des emplois, un ordinateur quantique ne serait guère mieux qu’un ordinateur ordinaire.

Alors à quoi pourrait servir un ordinateur quantique?

Ils seront probablement les plus utiles pour les agences gouvernementales, les entreprises de recherche et développement et les universités pour résoudre les problèmes auxquels les ordinateurs actuels sont confrontés.

La première idée pratique, proposée par le physicien Richard Feynman en 1981, était d’utiliser un ordinateur quantique pour simuler la mécanique quantique. Cela aurait un impact sur la chimie et la biologie. Les chimistes, par exemple, pourraient modéliser avec précision les interactions médicamenteuses et les biologistes pourraient étudier toutes les façons possibles dont les protéines peuvent se plier et interagir les unes avec les autres.

Alors que les ordinateurs quantiques étaient autrefois une curiosité académique, l’intérêt a explosé en 1994 lorsque le mathématicien américain Peter Shor a trouvé un moyen d’utiliser les ordinateurs quantiques pour casser les codes.

Actuellement, de nombreux systèmes de sécurité en ligne fonctionnent sur le principe qu’il est presque impossible de prendre un très grand nombre et de déterminer quels sont ses facteurs principaux. Tout ce qu’un ordinateur ordinaire peut faire est d’essayer toutes les possibilités les unes après les autres – une tâche qui pourrait prendre des milliards d’années. En utilisant l’algorithme de Shor, un ordinateur quantique pourrait effectuer la tâche en quelques heures.

Les ordinateurs quantiques pourraient également être fantastiques pour reconnaître des modèles dans les données – utiles pour les problèmes d’apprentissage automatique, tels que la capacité d’identifier différents objets dans une image. Ils pourraient être excellents pour construire des modèles permettant de prédire l’avenir, par exemple dans les prévisions météorologiques à long terme.

Mais en fin de compte, les utilisations de l’informatique quantique sont imprévisibles. Considérez qu’en 1943, Thomas Watson, le président d’IBM, a déclaré: « Je pense qu’il existe un marché mondial pour peut-être cinq ordinateurs. »Maintenant, il y en a cinq dans chaque foyer.

Si un précédent est un guide, nous n’avons pas encore imaginé quelles seront les utilisations des ordinateurs quantiques.

Comment fonctionne l’informatique quantique ?

Les ordinateurs ordinaires sont basés sur des « bits » – imaginez-les comme de petits commutateurs pointant vers un 1 ou un 0.

L’informatique quantique repose sur des bits quantiques, ou « qubits », qui peuvent également représenter un 0 ou un 1. Ce qui est fou, c’est que les qubits peuvent également atteindre un état mixte, appelé « superposition » où ils sont à la fois 1 et 0 en même temps. Cette ambiguïté – la capacité à la fois « être » et « ne pas être » – est la clé de la puissance de l’informatique quantique.

Comment la superposition aide-t-elle?

La différence entre les ordinateurs ordinaires et les ordinateurs quantiques se résume à la façon dont ils abordent un problème.

Un ordinateur ordinaire essaie de résoudre un problème de la même manière que vous pourriez essayer d’échapper à un labyrinthe – en essayant tous les couloirs possibles, en faisant demi-tour dans des impasses, jusqu’à ce que vous trouviez finalement la sortie. Mais la superposition permet à l’ordinateur quantique d’essayer tous les chemins à la fois – en substance, de trouver le raccourci.

Deux bits de votre ordinateur peuvent être dans quatre états possibles (00, 01, 10 ou 11), mais un seul d’entre eux à tout moment. Cela limite l’ordinateur à traiter une entrée à la fois (comme essayer un couloir dans le labyrinthe).

Dans un ordinateur quantique, deux qubits peuvent également représenter exactement les quatre mêmes états (00, 01, 10 ou 11). La différence est qu’en raison de la superposition, les qubits peuvent représenter les quatre en même temps. C’est un peu comme si quatre ordinateurs ordinaires fonctionnaient côte à côte.

Si vous ajoutez plus de bits à un ordinateur ordinaire, il ne peut toujours traiter qu’un seul état à la fois. Mais à mesure que vous ajoutez des qubits, la puissance de votre ordinateur quantique augmente de façon exponentielle. Pour les mathématiquement inclinés, on peut dire que si vous avez « n » qubits, vous pouvez représenter simultanément 2n états.)

C’est comme cette vieille fable sur une ancienne Indienne, appelée Sessa, qui a inventé le jeu d’échecs. Le roi était ravi du jeu et a demandé à Sessa de nommer sa récompense. Sessa demanda humblement un seul échiquier avec un grain de blé sur la première case, deux sur la deuxième, quatre sur la troisième et ainsi de suite. Le roi accepta aussitôt, ne se rendant pas compte qu’il avait promis plus de blé qu’il n’en existait sur Terre. C’est le pouvoir de la croissance exponentielle.

Tout comme chaque carré doublait le blé de Sessa, chaque qubit supplémentaire double la puissance de traitement. Trois qubits vous donnent 23, soit huit états en même temps ; quatre qubits vous donnent 24, soit 16. Et 64 qubits ? Ils vous en donnent 264, soit 18 446 744 073 709 600 000 de possibilités! Cela vaut environ un million de téraoctets.

Alors que 64 bits réguliers peuvent également représenter ce grand nombre (264) d’états, il ne peut en représenter qu’un à la fois. Pour parcourir toutes ces combinaisons, à deux milliards par seconde (ce qui est une vitesse typique pour un PC moderne), il faudrait environ 400 ans.

Tout cela signifie que les ordinateurs quantiques pourraient résoudre des problèmes « pratiquement impossibles » pour les ordinateurs classiques.

Mais pour obtenir cette accélération exponentielle, le sort de tous les qubits doit être lié dans un processus appelé intrication quantique. Ce phénomène étrange, qu’Einstein a appelé « action effrayante à distance », peut connecter des particules quantiques même si elles se trouvent aux extrémités opposées de l’univers.

Qu’est-ce qui fait un qubit ?

Pour créer un qubit, vous avez besoin d’un objet pouvant atteindre un état de superposition quantique entre deux états.

Un noyau atomique est un type de qubit. La direction de son moment magnétique (c’est le « spin ») peut pointer dans différentes directions, disons vers le haut ou vers le bas par rapport à un champ magnétique.

Le défi consiste à placer puis à traiter cet atome unique.

Une équipe australienne dirigée par Michelle Simmons à l’Université de Nouvelle-Galles du Sud, a fabriqué des qubits atomiques en plaçant un seul atome de phosphore à une position connue à l’intérieur d’un cristal de silicium.

Une autre idée est de dépouiller un électron de l’atome et de le transformer en ion. Ensuite, vous pouvez utiliser des champs électromagnétiques pour suspendre l’ion dans l’espace libre, en lui tirant des lasers pour changer son état. Cela fait un ordinateur quantique « à ions piégés ».

Un courant dans une boucle de métal supraconducteur peut également être en superposition (dans le sens des aiguilles d’une montre et dans le sens inverse des aiguilles d’une montre), un peu comme un petit tapis roulant courant en avant et en arrière en même temps.

Un photon de lumière peut être en superposition dans la direction où il s’agite. Certains groupes ont assemblé des circuits quantiques en envoyant des photons autour d’un labyrinthe de fibres optiques et de miroirs.

Comment créez-vous la superposition?

Avez-vous déjà essayé d’équilibrer une pièce exactement sur son bord? C’est ce à quoi ressemble la programmation d’un qubit. Cela implique de faire quelque chose à un qubit de sorte que, dans un sens, il se retrouve « équilibré » entre les États.

Dans le cas du noyau atomique, cela peut être en le zappant avec un champ électrique ou magnétique, laissant avec une probabilité égale de tourner dans un sens ou dans l’autre.

Alors, comment lisez-vous les informations des qubits?

Il y a une aura de mystique sur ce qui se passe pendant un calcul quantique. Les physiciens les plus avancés décrivent les qubits comme s’engageant dans une sorte de séance quantique avec des mondes parallèles pour diviner la réponse.

Mais ce n’est pas de la magie, c’est juste de la mécanique quantique.

Supposons que votre nouvel ordinateur quantique de 64 qubits soit opérationnel pour son premier calcul. Vous placez les 64 qubits en superposition, tout comme les 64 pièces toutes équilibrées sur le bord. Ensemble, ils détiennent 264 états possibles dans les limbes. Vous savez qu’un de ces états représente la bonne réponse. Mais lequel ?

Le problème est que la lecture des qubits provoque l’effondrement de la superposition – comme taper du poing sur la table avec toutes ces pièces équilibrées.

Voici où un algorithme quantique comme celui de Shor est utile. Il charge les qubits pour les rendre plus susceptibles de tomber du bon côté et nous donner la bonne réponse.

Des ordinateurs quantiques ont-ils encore été construits ?

Apparemment oui, bien qu’aucun d’entre eux ne puisse encore surpasser les ordinateurs conventionnels.

Au cours des trois dernières années, l’informatique quantique a connu des progrès spectaculaires. Alors qu’en 2016, le magazine Nature célébrait un ordinateur à neuf qubits développé par des chercheurs de Google. Dix-huit mois plus tard, en décembre 2017, IBM a signalé son ordinateur quantique à 50 qubits. En quatre mois, Google avait de nouveau pris de l’avance, avec son ordinateur quantique « Bristlecone » de 72 qubits. Pendant ce temps, IBM a produit le premier ordinateur quantique disponible dans le commerce – fournissant un accès au cloud à sa machine 20 qubit Q System One, pour un prix.

D-Wave a encore beaucoup d’avance sur sa création en utilisant 2000 boucles supraconductrices comme qubits, bien que certains physiciens soient sceptiques quant au fait que D-Wave ait construit un véritable ordinateur quantique.

Tous les grands acteurs ont en ligne de mire la prochaine étape majeure : la  » suprématie quantique « . Cela signifie lorsqu’un ordinateur quantique résout un problème au-delà des capacités des machines classiques. Théoriquement, cela devrait être possible avec une machine de 50 qubits, mais seulement si les taux d’erreur sont suffisamment bas.

Pourquoi est-il si difficile de construire un ordinateur quantique?

Il y a des défis à tous les niveaux, de l’assemblage de qubits, à la lecture et à l’écriture d’informations à leur sujet, en passant par le transfert d’informations sans qu’elles disparaissent dans une bouffée d’incertitude.

Un qubit est la diva ultime. Alors qu’une starlette hollywoodienne pourrait exiger un dressing gigantesque et un bain plein de pétales de rose, un qubit exige une isolation parfaite et un thermostat réglé au centième de degré au-dessus du zéro absolu. La moindre vibration provenant d’un atome voisin peut provoquer une crise quantique à un qubit et perdre sa superposition.

La difficulté primordiale est de savoir comment maintenir les états délicats de superposition et d’enchevêtrement suffisamment longtemps pour exécuter un calcul – ce que l’on appelle le temps de cohérence.

Malgré ce défi de taille, la course à la construction du premier ordinateur quantique pratique est devenue l’un des grands défis scientifiques de notre époque – impliquant des milliers de physiciens et d’ingénieurs dans des dizaines d’instituts de recherche dispersés dans le monde entier.