Les ordinateurs qui exploitent les règles étranges de la mécanique quantique pourraient bientôt résoudre des problèmes insolubles avec la technologie existante. Les machines actuelles sont encore loin d’y parvenir, mais le domaine de l’informatique quantique a réalisé des progrès spectaculaires depuis sa création.
L’informatique quantique est passée d’une curiosité académique à une industrie multimilliardaire en moins d’un demi-siècle et ne montre aucun signe d’arrêt. Voici 12 des étapes les plus importantes de ce voyage.
1980 : Naissance de l’ordinateur quantique
Dans les années 1970, les scientifiques avaient commencé à réfléchir aux croisements potentiels entre les nouveaux domaines de la mécanique quantique et de la théorie de l’information. Mais c’était un physicien américain Paul Bénioff qui a cristallisé nombre de ces idées lorsqu’il a publié le tout premier description d’un ordinateur quantique. Il a proposé une version quantique d’une « machine de Turing » — un modèle théorique d’ordinateur, conçu par le célèbre informaticien britannique Alan Turing, capable de mettre en œuvre n’importe quel algorithme. En montrant qu’un tel dispositif pouvait être décrit à l’aide des équations de la mécanique quantique, Benioff a jeté les bases du nouveau domaine de l’informatique quantique.
1981 : Richard Feynman popularise l’informatique quantique
Benioff et physicien légendaire Richard Feynman a donné des conférences sur l’informatique quantique lors de la première Conférence sur la physique du calcul en 1981. Feynman discours d’ouverture portait sur l’utilisation d’ordinateurs pour simuler la physique. Il a souligné que le monde physique étant de nature quantique, sa simulation exacte nécessite des ordinateurs fonctionnant de la même manière sur la base des règles de la mécanique quantique. Il a introduit le concept d’un « simulateur quantique », qui ne peut implémenter aucun programme comme une machine de Turing, mais peut être utilisé pour simuler des phénomènes de mécanique quantique. On attribue souvent à cette conférence le mérite d’avoir suscité l’intérêt pour l’informatique quantique en tant que discipline.
1985 : L’« ordinateur quantique universel »
L’un des concepts fondamentaux de l’informatique est l’idée de la machine universelle de Turing. Introduit par son homonyme en 1936, il s’agit d’un type particulier de machine de Turing capable de simuler le comportement de n’importe quelle autre machine de Turing, lui permettant ainsi de résoudre n’importe quel problème calculable. Cependant, David Deutschprofesseur de théorie quantique du calcul, a souligné dans un article de 1985 que parce que l’ordinateur universel décrit par Turing s’appuyait sur la physique classique, il serait incapable de simuler un ordinateur quantique. Il a reformulé les travaux de Turing en utilisant la mécanique quantique pour concevoir un « ordinateur quantique universel », capable de simuler n’importe quel processus physique.
1994 : premier cas d’utilisation révolutionnaire pour les ordinateurs quantiques
Malgré les promesses théoriques des ordinateurs quantiques, les chercheurs n’ont pas encore trouvé d’applications pratiques claires à cette technologie. mathématicien américain Peter Shor est devenu le premier à le faire lorsqu’il a introduit un algorithme quantique capable de factoriser efficacement de grands nombres. La factorisation est le processus consistant à trouver le plus petit ensemble de nombres pouvant être combinés pour en créer un plus grand. Ce processus devient de plus en plus difficile pour un plus grand nombre et constitue la base de nombreux principaux schémas de cryptage. L’algorithme de Shor peut résoudre ces problèmes de manière exponentielle plus rapidement que les ordinateurs classiques, ce qui fait craindre que les ordinateurs quantiques puissent être utilisés pour déchiffrer le cryptage moderne et stimule le développement de la cryptographie post-quantique.
1996 : L’informatique quantique se lance dans la recherche
Il n’a pas fallu longtemps pour qu’une autre application prometteuse apparaisse. Informaticien des Bell Labs Lov Grover proposé un algorithme quantique de recherche non structurée, qui consiste à rechercher des informations dans des bases de données sans système d’organisation évident. C’est comme chercher l’aiguille dans une botte de foin et c’est un problème courant en informatique, mais même les meilleurs algorithmes de recherche classiques peuvent être lents lorsqu’ils sont confrontés à de grandes quantités de données. L’algorithme Grover, comme on l’appelle désormais, exploite le phénomène quantique de superposition pour accélérer considérablement le processus de recherche.
1998 : Première démonstration d’un algorithme quantique
Imaginer des algorithmes quantiques sur un tableau noir est une chose, mais les mettre en œuvre sur du matériel s’est avéré beaucoup plus difficile. En 1998, une équipe dirigée par un chercheur d’IBM Isaac Chuang fait une percée quand ils a montré qu’ils pouvaient exécuter l’algorithme de Grover sur un ordinateur doté de deux qubits – l’équivalent quantique des bits. Trois ans plus tard, Chuang dirigeait également le première mise en œuvre de l’algorithme de Shor sur du matériel quantique, en factorisant le nombre 15 à l’aide d’un processeur à sept qubits.
1999 : Naissance de l’ordinateur quantique supraconducteur
Les éléments fondamentaux d’un ordinateur quantique, appelés qubitspeut être implémenté sur un large éventail de systèmes physiques différents. Mais en 1999, les physiciens de la société technologique japonaise NEC ont découvert une approche qui allait devenir l’approche la plus populaire aujourd’hui en matière d’informatique quantique. Dans un papier dans la natureils ont montré qu’ils pouvaient utiliser des circuits supraconducteurs pour créer des qubits, et qu’ils pouvaient contrôler ces qubits électroniquement. Les qubits supraconducteurs sont désormais utilisés par de nombreuses grandes sociétés d’informatique quantique, notamment Google et IBM.
2011 : lancement du premier ordinateur quantique commercial
Malgré des progrès considérables, l’informatique quantique restait avant tout une discipline académique. Le lancement La mise en service du premier ordinateur quantique disponible dans le commerce par la société canadienne D-Wave en mai 2011 a marqué le début de l’industrie de l’informatique quantique. Le D-Wave One de la start-up comportait 128 qubits supraconducteurs et coûtait environ 10 millions de dollars. Cependant, cet appareil n’était pas un ordinateur quantique universel. Il a utilisé une approche connue sous le nom de recuit quantique pour résoudre un type spécifique de problème d’optimisation, et il y avait peu de preuves qu’il augmentait la vitesse par rapport aux approches classiques.
2016 : IBM rend l’ordinateur quantique disponible sur le cloud
Alors que plusieurs grandes entreprises technologiques développaient en interne des ordinateurs quantiques universels, la plupart des universitaires et des aspirants développeurs quantiques n’avaient aucun moyen d’expérimenter cette technologie. En mai 2016, IBM a fabriqué son processeur à cinq qubits disponible sur le cloud pour la première fois, permettant à des personnes extérieures à l’entreprise d’exécuter des tâches d’informatique quantique sur son matériel. En deux semaines, plus de 17 000 personnes s’étaient inscrites au service IBM Quantum Experience de l’entreprise, offrant ainsi à beaucoup d’entre elles leur première expérience pratique avec un ordinateur quantique.
2019 : Google revendique la « suprématie quantique »
Malgré les promesses théoriques d’une « accélération » massive, personne n’avait encore démontré qu’un processeur quantique pouvait résoudre un problème plus rapidement qu’un ordinateur classique. Mais en septembre 2019, des nouvelles sont apparues que Google avait utilisé 53 qubits pour effectuer un calcul en 200 secondes qui, selon lui, prendrait un supercalculateur il faudra environ 10 000 ans pour le terminer. Le problème en question n’avait aucune utilité pratique : le processeur de Google effectuait simplement des opérations aléatoires, puis les chercheurs calculaient combien de temps il faudrait pour simuler cela sur un ordinateur classique. Mais le résultat a été salué comme le premier exemple de « suprématie quantique », désormais plus communément appelée « avantage quantique ».
2022 : un algorithme classique met fin à la revendication de suprématie
L’affirmation de Google selon laquelle la suprématie quantique a été accueillie avec scepticisme de la part de certains, en particulier de la part de son principal rival IBM, qui a affirmé que l’accélération était surestimée. Un groupe de l’Académie chinoise des sciences et d’autres institutions ont finalement montré que tel était le cas, en élaborant un algorithme classique qui pourrait simuler les opérations quantiques de Google en seulement 15 heures sur 512 puces GPU. Ils ont affirmé qu’avec l’accès à l’un des plus grands superordinateurs du monde, ils auraient pu le faire en quelques secondes. Cette nouvelle rappelle que l’informatique classique a encore beaucoup à faire et que l’avantage quantique restera probablement une cible mouvante.
2023 : QuEra bat le record de la plupart des qubits logiques
L’un des principaux obstacles auxquels sont confrontés les ordinateurs quantiques d’aujourd’hui est que le matériel sous-jacent est très sujet aux erreurs. En raison des bizarreries de la mécanique quantique, corriger ces erreurs est délicat et on sait depuis longtemps qu’il faudra de nombreux qubits physiques pour créer ce que l’on appelle des « qubits logiques » qui sont insensibles aux erreurs et capables d’effectuer des opérations de manière fiable. En décembre dernier, des chercheurs de Harvard travaillant avec la start-up QuEra ont battu des records en générant 48 qubits logiques à la fois, soit 10 fois plus que ce que quiconque avait réalisé auparavant. L’équipe a pu exécuter des algorithmes sur ces qubits logiques, marquant une étape majeure sur la voie de l’informatique quantique tolérante aux pannes.
