Quantum Computing ou Informatique quantique : mais qu’est-ce que c’est au juste ?

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Le quantum computing ou, informatique quantique, est sur toutes les lèvres. Mais les définitions du phénomène restent encore bien nébuleuses. Il est grand temps de décrypter en profondeur les enjeux de la révolution qui est à l’œuvre.

 Les annonces se sont succédé ces derniers mois. Des acteurs comme IBM, Google, Intel ou Honeywell sont lancés dans une course à la suprématie quantique et semblent se rapprocher de plus en plus de la ligne d’arrivée. Pour les néophytes, il est encore temps de se pencher sur la question et de s’intéresser aux fondamentaux d’une technologie qui risque de profondément transformer l’IT telle que nous la connaissons dans les années à venir.

Quand un chat nous plonge dans l’infiniment petit

L’informatique quantique est une nouvelle façon d’effectuer des calculs, en exploitant deux propriétés quantiques de la matière. La première est l’intrication quantique. Ce phénomène intervient lorsque, grâce au « spin », deux particules, pourtant séparées, restent liées l’une à l’autre, et ce quelle que soit la distance qu’il peut y avoir entre elles. Il est alors possible de déduire l’état de la première, simplement en connaissant celui de la seconde. Pour faire une comparaison triviale, c’est comme si en voyant un feu piéton vert à un carrefour de Montpellier, vous étiez en mesure de savoir que le feu piéton d’un autre carrefour de Nancy est rouge.

La seconde est la superposition quantique. Mise en évidence par l’expérience du chat de Schrödinger, c’est la capacité d’une particule à posséder deux états différents qui nous intéresse. C’est une composante fondamentale de l’informatique quantique. Alors que les bits classiques qui forment l’informatique traditionnelle sont soit des 0 OU des 1, leurs équivalents quantiques, les qubits, peuvent être à la fois 0 ET 1. Autrement dit, chaque fois qu’on ajoute un qubit, on multiplie la puissance du système par deux.

De l’année à la seconde

Pour continuer le parallèle entre l’informatique binaire traditionnelle et l’informatique quantique, l’état des qubits est contrôlé par des portes quantiques, qui jouent le même rôle que des portes logiques à base de transistors. Ces portes sont regroupées en circuits quantiques qui font subir une série de manipulations aux qubits afin qu’ils se corrèlent entre eux. En fonction du nombre de qubits et du nombre de manipulations, on détermine la taille d’un système. On parle alors de profondeur. Enfin, pour l’exploitation de ces systèmes quantiques, il sera nécessaire de compiler des programmes, de la même manière qu’il a fallu recompiler les programmes pour passer d’une architecture 32 bits à 64 bits sur un ordinateur traditionnel. Ces programmes seront basés sur des algorithmes mathématiques comme ceux de Deutsch-Jozsa, Shor, Grover ou d’algorithmes qui restent encore à découvrir.

L’association de ces propriétés permet à l’ordinateur de simuler un très grand nombre de possibilités en une seule fois, en parallèle, là ou un ordinateur classique, en mode séquentiel, devrait envisager toutes ces possibilités les unes après les autres. C’est ainsi qu’un calcul complexe qu’un superordinateur mettrait des centaines ou milliers d’années à résoudre pourrait être effectué par un ordinateur quantique en une poignée de secondes ou minutes. Et des usages potentiels commencent d’ores et déjà à se dessiner.

En matière de sécurité par exemple, les ordinateurs quantiques seraient théoriquement en mesure de casser les systèmes actuels de chiffrement, comme ils pourraient permettre de créer de nouvelles clés immensément plus complexes à briser. Dans le secteur de la santé, la puissance quantique pourrait considérablement accélérer la découverte de nouveaux traitements en réalisant des simulations avec de nombreux paramètres. Dans le monde de la finance, où des marchés se jouent à la moindre milliseconde, les algorithmes de trading deviendraient plus rapides que jamais et pourraient même inclure des paramètres extérieurs comme la météo. Et pourquoi pas même, un jour, concrétiser le rêve de la téléportation ?

Des efforts communs vers un usage responsable

La course à la suprématie s’apparente néanmoins davantage à une course d’obstacles qu’à un sprint. Des barrières vont devoir être surmontées. La première, comme l’ont souligné Michael Dell et John Roese, respectivement CEO et CTO de Dell Technologies, est l’absence de standardisation. La technologie n’en étant encore qu’à ses prémices, chacun place ses pions. Des normes, frameworks et architectures plus universels devront nécessairement émerger dans le temps afin de rendre l’ordinateur quantique utilisable en conditions réelles. Autre point important, les environnements quantiques doivent être parfaitement isolés du monde extérieur, notamment en raison du phénomène de décohérence, qui fait perdre au qubit ses propriétés. Pour les stabiliser, il faut donc pouvoir les refroidir. Mais à la différence de nos infrastructures actuelles, ce refroidissement doit être proche du zéro absolu, soit -273,15°C. La scalabilité va donc poser problème.

Enfin, face à l’immense pouvoir des ordinateurs quantiques, des bonnes pratiques devront évidemment intégrer les enjeux éthiques et environnementaux, pour garantir un usage responsable de l’informatique quantique. Pour y parvenir, les acteurs engagés dans la compétition, qu’ils adressent l’ensemble de la chaîne quantique ou qu’ils soient spécialisés sur un de ses maillons (algorithmes, puces, cavités de diamant, atomes de rubidium, recuit quantique, supra-conducteurs), ont encore quelques années devant eux. Intel, très avancé sur la question, annonce une phase de commercialisation en 2025. La firme a récemment présenté un SoC, baptisé Horse Ridge et développé en partenariat avec Qutech, capable de contrôler les spin qubits (jusqu’à 128 qubits). Une avancée importante pour les recherches autour du traitement du cancer ou du changement climatique par exemple, car elle permet de réduire drastiquement la complexité des systèmes qui étaient jusqu’alors nécessaires aux expérimentations. Vous êtes prévenus, ces quelques années risquent de passer très vite.

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