En juin, un responsable informatique d’IBM a affirmé les ordinateurs quantiques entraient dans la phase « utilitaire », dans lequel des dispositifs expérimentaux de haute technologie deviennent utiles. En septembre, la scientifique en chef australienne Cathy Foley est allée jusqu’à déclarer «l’aube de l’ère quantique« .
Cette semaine, le physicien australien Michelle Simmons a remporté le prix scientifique le plus prestigieux du pays pour son travail sur le développement d’ordinateurs quantiques à base de silicium.
De toute évidence, les ordinateurs quantiques traversent une période difficile. Mais, pour prendre un peu de recul, de quoi s’agit-il exactement ?
Qu’est-ce qu’un ordinateur quantique ?
Une façon d’envisager les ordinateurs consiste à considérer les types de nombres avec lesquels ils travaillent.
Les ordinateurs numériques que nous utilisons quotidiennement s’appuient sur des nombres entiers (ou entiers), représentant les informations sous forme de chaînes de zéros et de uns qu’ils réorganisent selon des règles complexes. Il existe également des ordinateurs analogiques, qui représentent les informations sous forme de nombres variant continuellement (ou nombres réels), manipulés via des circuits électriques, des rotors en rotation ou des fluides en mouvement.
Au XVIe siècle, le mathématicien italien Girolamo Cardano a inventé un autre type de nombres appelés nombres complexes pour résoudre des tâches apparemment impossibles, comme trouver la racine carrée d’un nombre négatif. Au XXe siècle, avec l’avènement de la physique quantique, il s’est avéré que les nombres complexes décrivaient aussi naturellement les moindres détails de la lumière et de la matière.
Dans les années 1990, la physique et l’informatique se sont affrontées lorsqu’on a découvert que certains problèmes pouvaient être résolus beaucoup plus rapidement grâce à des algorithmes fonctionnant directement avec les nombres complexes codés en physique quantique.
La prochaine étape logique consistait à construire des appareils fonctionnant avec la lumière et la matière pour effectuer automatiquement ces calculs à notre place. Ce fut la naissance de l’informatique quantique.
Pourquoi l’informatique quantique est-elle importante ?
Nous pensons généralement aux choses que font nos ordinateurs dans des termes qui signifient quelque chose pour nous : équilibrer ma feuille de calcul, transmettre ma vidéo en direct, trouver mon trajet jusqu’à l’aéroport. Cependant, tous ces problèmes sont en fin de compte des problèmes informatiques, formulés en langage mathématique.
L’informatique quantique étant encore un domaine naissant, la plupart des problèmes que nous savons que les ordinateurs quantiques résoudront sont formulés en mathématiques abstraites. Certaines d’entre elles auront des applications « réelles » que nous ne pouvons pas encore prévoir, mais d’autres auront un impact plus immédiat.
L’une des premières applications sera la cryptographie. Les ordinateurs quantiques seront capables de déchiffrer les algorithmes de chiffrement Internet actuels. Nous aurons donc besoin d’une technologie cryptographique résistante aux quantiques. Une cryptographie dont la sécurité est prouvée et un Internet entièrement quantique utiliseraient la technologie informatique quantique.
En science des matériaux, les ordinateurs quantiques seront capables de simuler des structures moléculaires à l’échelle atomique, ce qui permettra de découvrir plus rapidement et plus facilement de nouveaux matériaux intéressants. Cela pourrait avoir des applications significatives dans les batteries, les produits pharmaceutiques, les engrais et d’autres domaines chimiques.
Les ordinateurs quantiques permettront également d’accélérer de nombreux problèmes d’optimisation difficiles, pour lesquels nous souhaitons trouver la « meilleure » façon de faire quelque chose. Cela nous permettra de résoudre des problèmes à plus grande échelle dans des domaines tels que la logistique, la finance et les prévisions météorologiques.
L’apprentissage automatique est un autre domaine dans lequel les ordinateurs quantiques peuvent accélérer les progrès. Cela pourrait se produire indirectement, en accélérant les sous-programmes des ordinateurs numériques, ou directement si les ordinateurs quantiques pouvaient être réinventés en machines d’apprentissage.
Quel est le paysage actuel ?
En 2023, l’informatique quantique quittera les laboratoires du sous-sol des départements de physique universitaires pour s’installer dans les installations industrielles de recherche et développement. Cette décision est soutenue par les chéquiers des sociétés multinationales et des investisseurs en capital-risque.
Prototypes d’informatique quantique contemporains, construits par IBM, Google, IonQ, Rigetti et d’autres, sont encore loin de la perfection.
Les machines d’aujourd’hui sont de taille modeste et sujettes à des erreurs, dans ce qu’on appelle le « quantique bruyant à échelle intermédiaire » phase de développement. La nature délicate des petits systèmes quantiques signifie qu’ils sont sujets à de nombreuses sources d’erreurs, et la correction de ces erreurs constitue un obstacle technique majeur.
Le Saint Graal est un ordinateur quantique à grande échelle capable de corriger ses propres erreurs. Tout un écosystème de factions de recherche et d’entreprises commerciales poursuit cet objectif via diverses approches technologiques.
Supraconducteurs, ions, silicium, photons
L’approche actuelle utilise des boucles de courant électrique à l’intérieur de circuits supraconducteurs pour stocker et manipuler des informations. C’est la technologie adoptée par Google, IBM, Rigetti et d’autres.
Une autre méthode, la technologie des « ions piégés », fonctionne avec des groupes de particules atomiques chargées électriquement, en utilisant la stabilité inhérente des particules pour réduire les erreurs. Cette approche a été pilotée par IonQ et Honeywell.
Une troisième voie d’exploration consiste à confiner les électrons dans de minuscules particules de matériau semi-conducteur, qui pourraient ensuite être fusionnées dans la technologie du silicium bien établie de l’informatique classique. Informatique quantique sur silicium poursuit cet angle.
Une autre solution consiste à utiliser des particules de lumière individuelles (photons), qui peuvent être manipulées avec une haute fidélité. Une société appelée PsiQuantum conçoit circuits complexes de « lumière guidée » pour effectuer des calculs quantiques.
Il n’y a pas encore de gagnant clair parmi ces technologies, et il se pourrait bien que ce soit une approche hybride qui finisse par prévaloir.
Où nous mènera l’avenir quantique ?
Tenter de prédire l’avenir de l’informatique quantique aujourd’hui revient à prédire des voitures volantes et à se retrouver avec des caméras dans nos téléphones. Il existe néanmoins quelques jalons qui, selon de nombreux chercheurs, seront probablement atteints au cours de la prochaine décennie.
Une meilleure correction des erreurs est un problème important. Nous nous attendons à voir une transition de l’ère des appareils bruyants vers de petits appareils capables de supporter les calculs grâce à une correction active des erreurs.
L’avènement de la cryptographie post-quantique en est un autre. Cela signifie l’établissement et l’adoption de normes cryptographiques qui ne peuvent pas être facilement brisées par les ordinateurs quantiques.
Des retombées commerciales de technologies telles que la détection quantique se profilent également à l’horizon.
La démonstration d’un véritable « avantage quantique » sera également une évolution probable. Cela signifie une application convaincante dans laquelle un appareil quantique est incontestablement supérieur à l’alternative numérique.
Et un objectif ambitieux pour la décennie à venir est la création d’un ordinateur quantique à grande échelle exempt d’erreurs (avec correction active des erreurs).
Lorsque cet objectif sera atteint, nous pouvons être sûrs que le 21e siècle sera « l’ère quantique ».
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