Les entreprises technologiques investissent des milliards de dollars dans informatique quantiquemême si la technologie est encore à des années d’applications pratiques. Alors, à quoi serviront les futurs ordinateurs quantiques – et pourquoi tant d’experts sont-ils convaincus qu’ils changeront la donne ?
Construire un ordinateur qui exploite les propriétés inhabituelles de mécanique quantique est une idée qui a été controversée depuis les années 1980. Mais au cours des deux dernières décennies, les scientifiques ont fait des progrès significatifs dans la construction d’appareils à grande échelle. Aujourd’hui, de nombreux géants de la technologie, de Google à IBM, ainsi que plusieurs startups bien financées, ont investi des sommes importantes dans la technologie – et ont créé plusieurs machines individuelles et unités de traitement quantique (QPU).
En théorie, les ordinateurs quantiques pourraient résoudre des problèmes qui dépassent même celui des ordinateurs classiques les plus puissants. Cependant, il existe un large consensus sur le fait que ces appareils devront devenir beaucoup plus grands et plus fiables avant que cela puisse se produire. Une fois qu’ils l’auront fait, on espère que cette technologie permettra de résoudre une multitude de défis actuellement insolubles dans les domaines de la chimie, de la physique, de la science des matériaux et même de l’apprentissage automatique.
« Ce n’est pas comme un ordinateur classique rapide, c’est un paradigme complètement différent », Norbert Lütkenhausdirecteur exécutif de l’Institut d’informatique quantique de l’Université de Waterloo au Canada, a déclaré à Live Science. « Les ordinateurs quantiques peuvent résoudre efficacement certaines tâches que les ordinateurs classiques ne peuvent tout simplement pas accomplir. »
L’état actuel de la technique
L’élément de base le plus fondamental d’un ordinateur quantique est le qubit – une unité d’information quantique comparable à un bit dans un ordinateur classique, mais avec l’étrange capacité de représenter simultanément une combinaison complexe de 0 et de 1. Les qubits peuvent être implémentés sur une large gamme de matériels différents, notamment des circuits supraconducteurs, des ions piégés ou même des photons (particules lumineuses).
Les plus grands ordinateurs quantiques actuels viennent de franchir le Marque de 1 000 qubitsmais la plupart ne comportent que quelques dizaines ou centaines de qubits. Ils sont bien plus sujets aux erreurs que les composants informatiques classiques en raison de l’extrême sensibilité des états quantiques au bruit externe, notamment aux changements de température ou aux champs électromagnétiques parasites. Cela signifie qu’il est actuellement difficile d’exécuter de grands programmes quantiques suffisamment longtemps pour résoudre des problèmes pratiques.
Cela ne signifie pas pour autant que les ordinateurs quantiques d’aujourd’hui sont inutiles, a déclaré Guillaume Olivierdirecteur du Center for Quantum Engineering du Massachusetts Institute of Technology (MIT) aux États-Unis. « Les ordinateurs quantiques sont utilisés aujourd’hui essentiellement pour apprendre à agrandir les ordinateurs quantiques, et aussi à apprendre à utiliser les ordinateurs quantiques », a-t-il déclaré dans une interview avec Live Science.
La construction de processeurs toujours plus grands fournit des informations cruciales sur la manière de concevoir des machines quantiques plus grandes et plus fiables et fournit une plate-forme pour développer et tester de nouveaux algorithmes quantiques. Ils permettent également aux chercheurs de tester des systèmes de correction d’erreurs quantiques, ce qui sera crucial pour réaliser toutes les promesses de la technologie. Celles-ci impliquent généralement de diffuser des informations quantiques sur plusieurs qubits physiques pour créer un seul « qubit logique », bien plus résilient.
Lütkenhaus a déclaré que les récentes avancées dans ce domaine suggèrent que l’informatique quantique tolérante aux pannes n’est peut-être pas si loin. Plusieurs entreprises dont QuEra, Quantinum et Google ont récemment démontré leur capacité à générer des qubits logiques de manière fiable. L’extension aux milliers, voire aux millions de qubits dont nous avons besoin pour résoudre des problèmes pratiques prendra du temps et beaucoup d’efforts d’ingénierie, explique Lütkenhaus. Mais une fois cet objectif atteint, un une multitude d’applications passionnantes apparaîtra.
Où le quantique pourrait changer la donne
Le secret de la puissance de l’informatique quantique réside dans un phénomène quantique appelé superposition, a déclaré Oliver. Cela permet à un système quantique d’occuper plusieurs états simultanément jusqu’à ce qu’il soit mesuré. Dans un ordinateur quantique, cela permet de placer les qubits sous-jacents dans une superposition représentant toutes les solutions potentielles à un problème.
« Au fur et à mesure que nous exécutons l’algorithme, les réponses incorrectes sont supprimées et les réponses correctes sont améliorées », a déclaré Oliver. « Et donc à la fin du calcul, la seule réponse survivante est celle que nous recherchons. »
Cela permet d’aborder des problèmes trop vastes pour être traités de manière séquentielle, comme le ferait un ordinateur classique, a ajouté Oliver. Et dans certains domaines, les ordinateurs quantiques pourraient effectuer des calculs de manière exponentielle plus rapidement que leurs cousins classiques à mesure que l’ampleur du problème augmente.
L’une des applications les plus évidentes réside dans la simulation de systèmes physiques, a déclaré Oliver, car le monde lui-même est régi par les principes de la mécanique quantique. Les mêmes phénomènes étranges qui rendent les ordinateurs quantiques si puissants rendent également difficile la simulation de nombreux systèmes quantiques sur un ordinateur classique à des échelles utiles. Mais comme ils fonctionnent selon les mêmes principes, les ordinateurs quantiques devraient être capables de modéliser efficacement le comportement d’un large éventail de systèmes quantiques.
Cela pourrait avoir un impact profond sur des domaines tels que la chimie et la science des matériaux, où les effets quantiques jouent un rôle majeur, et pourrait conduire à des percées dans tous les domaines, de la technologie des batteries aux supraconducteurs, en passant par les catalyseurs et même les produits pharmaceutiques.
Les ordinateurs quantiques ont également des utilisations moins savoureuses. Avec suffisamment de qubits, un algorithme inventé par un mathématicien Peter Shor en 1994 pourrait déchiffrer le cryptage qui sous-tend une grande partie de l’Internet actuel. Heureusement, les chercheurs ont mis au point de nouveaux systèmes de cryptage qui évitent ce risque, et plus tôt cette année, l’Institut national américain des normes et de la technologie (NIST) libéré de nouvelles normes de chiffrement « post-quantique » déjà mises en œuvre.
Possibilités émergentes de l’informatique quantique
D’autres applications pour les ordinateurs quantiques sont, à l’heure actuelle, quelque peu spéculatives, a déclaré Oliver.
On espère que la technologie pourrait s’avérer utile pour l’optimisation, ce qui implique la recherche de la meilleure solution à un problème avec de nombreuses solutions possibles. De nombreux défis pratiques peuvent se résumer à des processus d’optimisation, depuis la facilitation du trafic dans une ville jusqu’à la recherche des meilleurs itinéraires de livraison pour une entreprise de logistique. Construire le meilleur portefeuille d’actions pour un objectif financier spécifique pourrait également être une application possible.
Jusqu’à présent, cependant, la plupart des algorithmes d’optimisation quantique offrent des accélérations moins qu’exponentielles. Étant donné que le matériel quantique fonctionne beaucoup plus lentement que l’électronique actuelle basée sur les transistors, ces modestes avantages algorithmiques en termes de vitesse peuvent disparaître rapidement lorsqu’il est implémenté sur un appareil du monde réel.
Dans le même temps, les progrès des algorithmes quantiques ont stimulé les innovations dans le domaine de l’informatique classique. « Alors que les concepteurs d’algorithmes quantiques proposent différents schémas d’optimisation, nos collègues en informatique font progresser leurs algorithmes et cet avantage que nous semblons avoir finit par s’évaporer », a ajouté Oliver.
D’autres domaines de recherche active avec un potentiel à long terme moins clair incluent l’utilisation d’ordinateurs quantiques pour rechercher de grandes bases de données ou effectuer un apprentissage automatique, ce qui implique l’analyse de grandes quantités de données pour découvrir des modèles utiles. Les accélérations ici sont également moins qu’exponentielles et il y a le problème supplémentaire de traduire de grandes quantités de données classiques en états quantiques sur lesquels l’algorithme peut fonctionner – un processus lent qui peut rapidement ronger tout avantage informatique.
Mais il n’en est encore qu’à ses débuts et il existe de nombreuses possibilités de percées algorithmiques, a déclaré Oliver. Le domaine est encore en train de découvrir et de développer les éléments constitutifs des algorithmes quantiques – des procédures mathématiques plus petites appelées « primitives » qui peuvent être combinées pour résoudre des problèmes plus complexes.
« Nous devons comprendre comment créer des algorithmes quantiques, identifier et exploiter ces éléments de programme, en trouver de nouveaux s’ils existent et comprendre comment les assembler pour créer de nouveaux algorithmes », explique Oliver.
Cela devrait guider le développement futur du domaine, a ajouté Lütkenhaus, et c’est quelque chose que les entreprises devraient garder à l’esprit lorsqu’elles prennent des décisions d’investissement. « Alors que nous faisons progresser le secteur, ne nous concentrons pas trop tôt sur des problèmes très spécifiques », a-t-il déclaré. « Nous devons encore résoudre de nombreux autres problèmes génériques, ce qui pourra ensuite déboucher sur de nombreuses applications. »
