16 / 02 / 2018
#Pause technique

L’ordinateur quantique, comment et pourquoi ?

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L’ordinateur quantique, comment et pourquoi ?
Intriguant, prometteur, ébouriffant même, l’ordinateur quantique fait l’objet de recherches nourries, tout en excitant l’imagination. Et pour cause : il permettrait des capacités de traitement inouïes et pourrait transformer à tout jamais notre monde et sa compréhension.

Pour aborder l’ordinateur quantique, il est bon de garder trois choses à l’esprit. La première est que l’informatique quantique est entièrement différente de tout ce que vous connaissez : il ne s’agit pas d’une optimisation ou d’une modernisation des principes assurant le fonctionnement des ordinateurs d’aujourd’hui, mais bien de méthodes radicalement nouvelles, exploitant les caractéristiques intrinsèques (et troublantes) de la matière et des particules élémentaires. Oubliez donc ce que vous savez, en particulier la logique binaire, pour admettre qu’une chose peut être vraie et fausse à la fois (ou, si vous préférez, qu’un chat peut être “en même temps” vivant et mort). La deuxième chose, conséquence de la première, est qu’un ordinateur quantique serait capable d’atteindre une puissance de calcul astronomique, sans commune mesure avec ce que nous connaissons aujourd’hui (capable de ridiculiser les plus puissants supercalculateurs actuels, qui s’apparenteraient alors à des calculatrices de poche). La troisième chose, enfin, est que l’ordinateur quantique n’existe pas vraiment à ce jour.

Pour autant, l’informatique quantique n’est pas une simple vue de l’esprit. D’abord, il existe bien au moins un ordinateur tirant parti de certaines propriétés quantiques: le D-Wave, produit au Canada. Il peut être utilisé pour effectuer des calculs spécifiques, mais n’est pas considéré comme un ordinateur quantique général, capable d’effectuer tous types de traitement. Ensuite, la recherche en la matière progresse de façon soutenue, laissant penser qu’un ordinateur quantique opérationnel est à notre portée, en tout cas réalisable dans les 10 ans qui viennent.

La course aux qubits

Contrairement aux architectures des processeurs traditionnels (des circuits intégrés formant des transistors sur du silicium), un ordinateur quantique emploie des éléments appelés qubits. Ces “bits quantiques” sont des particules élémentaires maintenues à des températures extrêmement basses (très proches du zéro absolu, -273.15°C). Et ce sont ces éléments qui permettent d’exploiter les caractéristiques quantiques de la matière, notamment la superposition (une quantité observable peut présenter simultanément plusieurs valeurs) et l’intrication (les états de deux particules distinctes sont liés, quelle que soit la distance qui les sépare). En somme, le qubit apporte la promesse d’une information traitée au coeur de la matière, avec des bits qui changent d’état de façon quasi instantanée, s’affranchissant des limites physiques habituelles, comme la conduction de l’électricité ou la finesse de la gravure des circuits imprimés. Avec le quantique, l’information devient la matière elle-même.

 

Partant de là, la maîtrise des qubits, c’est-à-dire savoir les produire et les exploiter, en éliminant le bruit et les erreurs, est la clé des futurs ordinateurs quantiques. Plus une machine possédera de qubits, plus elle sera puissante.

 

Sans surprise, tous les géants de l’informatique mondiale – à commencer par IBM, NTT, Intel, Google et Microsoft – sont sur les rangs pour produire ces bêtes de courses du futur. En laboratoire, on parvient à simuler des ensembles de qubits. En juillet 2017, le National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC) établissait un record en simulant un système à base de 49 qubits. Une prouesse, nous rapprochant encore un peu plus de la “suprématie quantique”, une étape estimée à 50 qubits et au-delà de laquelle un ordinateur quantique serait plus performant qu’un supercalculateur classique. Les calculs, essentiels pour prouver le caractère fonctionnel d’un ordinateur quantique général, relevaient cependant de la simulation, servant à mesurer comment se comporterait un tel système s’il existait.

 

Mais le véritable enjeu est de produire effectivement (et physiquement) les qubits. En 2009, l’université de Yale produisait le premier processeur quantique, à base de deux qubits physiques constitués par un milliard d’atomes d’aluminium. En mai 2017, IBM annonçait avoir réalisé le premier processeur à 16 qubits disponible commercialement et testable via son cloud. Et en Janvier 2018 au CES de Las Vegas, Intel annonçait une puce à 49 qubits, tandis qu’IBM présentait son prototype de système à 50 qubits – une machine expérimentale sans équivalent au monde, enchevêtrement complexe de tubes et câbles, assorti d’un dispositif de refroidissement à l’hélium liquide.

Du quantique pour quoi faire ?

Reste à savoir ce que nous ferons des faramineuses puissances de calcul que permettront sans doute un jour ces ordinateurs d’un genre nouveau. En janvier dernier, IBM expliquait : “Quelque part entre 50 et 100 qubits, nous atteindrons un point où l’on pourra clairement dire que la simulation d’une molécule ne prend que quelques minutes, contre cinq jours avec un système géant traditionnel”. Mais le constructeur ne souhaitait pas “spéculer” quant aux applications potentielles pour le grand public.

 

La plupart des constructeurs soulignent toutefois les possibilités nouvelles offertes, notamment en matière de chimie et de bio-ingénierie, avec la simulation des interactions moléculaires et la découverte potentielle de nouveaux médicaments et matériaux. Au-delà de ça, la logistique, les interfaces hommes-machines, la gestion financière, la compréhension des modèles climatiques et leur évolution, voire l’analyse du fonctionnement du cerveau humain… tout ce que nous connaissons pourrait être impacté et transformé par l’informatique quantique. Dans un monde de plus en plus fondé sur le calcul, l’intelligence artificielle et le BigData, des ordinateurs surpuissants ne peuvent qu’aider.

 

Certains s’inquiètent qu’une telle puissance puisse nous obliger à repenser la sécurité informatique, les algorithmes cryptographiques utilisés aujourd’hui étant incapables de résister à des attaques brutales d’une ampleur inédite opérées à partir d’ordinateurs quantiques. Mais les experts sont confiants : pour craquer RSA, l’une des algorithmes de chiffrement les plus utilisés, il faudrait manipuler 5 millions de trillion de trillions d’opérations, un nombre comparable à celui… du nombre de bactéries sur Terre. Difficile à imaginer, même pour un supercalculateur dopé aux qubits. La cryptographie ne mourra pas avec l’avènement des ordinateurs quantiques, expliquent les scientifiques.

 

Quoi qu’il en soit, les possibilités semblent infinies. En 2013, le chercheur du MIT Seth Lloyd postulait qu’un ordinateur quantique à 300 qubits pourrait suffire à établir “une cartographie de l’univers – toute l’information qui a existé depuis le Big Bang”.

 

Des interactions entre particules élémentaires à la formation des galaxies, de la simulation des molécules à celle des neurones, l’ordinateur quantique ouvrira de nouvelles voies pour mieux comprendre notre monde. C’est bien tout le caractère excitant des promesses du quantique. L’informatique traditionnelle a conduit à des réseaux planétaires efficaces, à des smartphones qui comprennent notre langage et reconnaissent nos visages, à des voitures qui se conduisent elles-mêmes, à des robots qui explorent des planètes lointaines. Qui sait ce que nous pourrons réaliser avec des ordinateurs plusieurs millions de fois plus puissants ?