Nous sommes bombardés de jubilation à propos de l'ordinateur quantique, la "machine miracle" qui rétrograderait même le plus rapide de nos ordinateurs ordinaires actuels au rang de boulier. C'est en partie exagéré. "Un ordinateur quantique ne calcule pas plus vite, mais différemment."
Depuis que des entreprises comme Microsoft, Google, Intel et IBM se sont lancées dans le développement d'un ordinateur quantique, il y a eu une course pour être le premier à construire un prototype fonctionnel. Le premier ordinateur quantique préférerait avoir autant de qubits que possible, le pendant mécanique quantique du bit classique. Les géants de la technologie donnent l'impression que ce n'est qu'une question de temps avant que la «suprématie quantique» ne soit atteinte. Ce terme fait référence à la capacité d'un ordinateur quantique à résoudre un problème que les ordinateurs ordinaires ne peuvent pas gérer. On dirait que les jours des ordinateurs à calcul binaire, et même des superordinateurs les plus puissants, sont comptés.
"N'hésitez pas à parler de battage médiatique", déclare le physicien théoricien Frank Verstraete de l'université de Gand. "Les grandes entreprises technologiques font en effet beaucoup de publicité pour leurs prototypes ces jours-ci, alors qu'une entreprise comme IBM fait des recherches sur un ordinateur quantique depuis les années 1980."
'Avec un ordinateur quantique, vous pouvez déchiffrer des codes encore étanches, puis développer de meilleurs codes'
Ce qui est nouveau :la concurrence dans la course quantique injecte beaucoup d'argent dans la recherche. C'est en partie à cause de cela qu'il existe aujourd'hui des « systèmes quantiques » de cinquante qubits. Verstraete :« Mais ces systèmes ne fonctionnent pas encore comme des ordinateurs quantiques, et vous pouvez toujours les simuler avec un ordinateur ordinaire. Pour les dix prochaines années, je ne m'attends pas à ce qu'un ordinateur quantique soit capable de gérer des problèmes pertinents qui ne peuvent pas être résolus de manière classique.'
Verstraete étudie depuis un certain temps la théorie quantique afin de résoudre des problèmes de physique quantique à l'aide d'ordinateurs. Lorsqu'il revient sur les dernières années, il ne voit aucune véritable percée qui puisse justifier le battage médiatique actuel. "D'accord, la technologie a fait des progrès, mais un ordinateur quantique capable de faire des choses sensées est encore loin."
Les systèmes quantiques à cinquante qubits que Google, IBM et Intel ont utilisés n'ont-ils pas fait grand bruit l'année dernière ? «Au niveau de la physique quantique, il s'agit bien sûr d'une incroyable ingéniosité technique», déclare Verstraete. « Malheureusement, les systèmes actuels ne sont pas à l'épreuve des erreurs, et c'est de cela qu'il s'agit. Un ordinateur fiable ne fonctionne que si vous avez suffisamment de correction d'erreur intégrée. Ce n'est pas différent avec un ordinateur normal. Avec un ordinateur quantique, vous avez besoin de milliers, voire de millions de qubits supplémentaires. Ceux-ci doivent garantir que la cohésion entre les qubits de base reste intacte suffisamment longtemps. La technologie permettant de manipuler autant de qubits en est encore à ses balbutiements. Nous sommes encore loin d'un circuit quantique à part entière, composé de millions de portes quantiques logiques.'
Le fait que le physicien quantique gantois soit sceptique quant au reportage hourra du moment ne signifie pas qu'il ne croit pas au qubit. Au contraire, il voit aussi un bel avenir pour l'ordinateur quantique. Mais pas comme un ordinateur qui peut calculer presque infiniment vite, mais comme un simulateur extrêmement puissant du micromonde. C'est le monde où les interactions quantiques déterminent le comportement des particules de matière et d'énergie. "Cela n'a plus grand-chose à voir avec les mathématiques, du moins pas dans le sens auquel nous sommes habitués."
Une telle simulation s'articule généralement autour d'un système dit à plusieurs corps. Cela peut être un noyau atomique, une molécule ou même une protéine. La simulation doit déterminer comment ce système se comportera et quelles propriétés il présentera. Il s'agit essentiellement de physique des particules, de chimie et de biologie ascendantes. Dans la simulation, chaque qubit d'un ordinateur quantique correspond à un état quantique spécifique, par exemple le spin d'un électron. Les théories et méthodes de mécanique quantique, qui, par exemple, sont utilisées pour calculer la structure électronique de molécules plus grosses, puis déterminent comment l'ordinateur quantique gère la simulation.
«À l'heure actuelle, les systèmes à plusieurs corps sont encore calculés à l'aide d'ordinateurs ordinaires», explique Frank Verstraete. « Mais c'est très lent, même avec les superordinateurs les plus puissants. Un ordinateur quantique ne perd pas de temps avec les calculs. On pourrait dire qu'il imite simplement le système. Vous disposez en quelque sorte d'un laboratoire artificiel qui fonctionne hors du temps et rend superflues les expériences et les simulations informatiques classiques. Un tel simulateur quantique est le Saint Graal pour moi.'
Le marché potentiel pour un tel simulateur de système hyper-rapide est, bien sûr, énorme. Les entreprises pharmaceutiques et chimiques repoussent désormais les limites dans leur recherche de nouvelles molécules et réactions. Les expériences de laboratoire qu'ils effectuent deviennent trop compliquées et donc trop coûteuses pour être simulées avec des ordinateurs ordinaires. Verstraete :"Ce n'est pas un hasard si plus de la moitié de toute la puissance de calcul dans le monde est consommée par des simulations de systèmes à plusieurs corps tels que les molécules."
Il s'agit d'une manière complètement différente de programmer. Vous ne pouvez jamais exécuter un simple traitement de texte sur un ordinateur quantique
La «simulation de la nature» est certainement une application importante de l'ordinateur quantique, convient Harry Buhrman, fondateur et directeur de QuSoft, un centre de recherche néerlandais sur les logiciels quantiques. Mais il voit aussi d'autres applications plus liées aux mathématiques, comme la factorisation des nombres énormes. Cette « factorisation » constitue la base du cryptage dit RSA, qui protège de nombreuses transactions en ligne. «Avec un ordinateur quantique, vous pouvez déchiffrer toutes sortes de codes encore étanches», déclare Buhrman. "Pour ensuite développer de meilleurs codes."
De plus, Buhrman et ses collègues de QuSoft recherchent d'autres applications et algorithmes quantiques. "Par exemple, pour les problèmes d'optimisation et les applications au sein de l'apprentissage automatique", explique Buhrman.
A l'Université Libre de Bruxelles, le physicien quantique Jérémie Roland travaille sur les applications les plus mathématiquement inspirées de l'ordinateur quantique. Entre autres choses, il recherche des algorithmes quantiques qui peuvent (aider) à résoudre des problèmes d'algèbre linéaire abstraite, tels que des systèmes d'équations à plusieurs inconnues. «Parce que la structure de la mécanique quantique elle-même est algébrique linéaire, elle s'y prête parfaitement», déclare Roland. "On pourrait dire que nous simulons l'algèbre sur un ordinateur quantique." Tout comme cela se produit avec les systèmes à plusieurs corps, donc.
Mais Roland admet aussi qu'il est très difficile de trouver des problèmes concrets que l'on puisse résoudre avec un ordinateur quantique. « Votre problème doit être très bien structuré si vous voulez qu'il soit résolu par un algorithme quantique. L'algorithme de Shor (un algorithme quantique de factorisation en nombres premiers développé en 1994 par le mathématicien américain Peter Shor, éd.) est encore en train d'être bricolé aujourd'hui, bien qu'il ait plus de vingt ans.'
L'un des problèmes où un ordinateur quantique peut réussir là où un ordinateur ordinaire échoue est celui du système dit de recommandation. Un tel système collecte des informations sur les achats individuels ou les évaluations des consommateurs, afin d'envoyer finalement des recommandations personnalisées à ces mêmes consommateurs. Si vous avez x consommateurs (par exemple, abonnés Netflix ou clients Amazon) et y produits (séries Netflix ou livres Amazon), cela se traduit par une matrice avec x lignes et y colonnes. "Si vous connaissez cette matrice à l'avance, le problème est rapidement résolu", explique Roland. « Mais le nœud du problème est que le système doit pouvoir envoyer à tout moment une recommandation personnalisée, basée uniquement sur les informations disponibles. Vous pouvez difficilement le faire efficacement sans un ordinateur quantique équipé d'un algorithme quantique.'
Même si les sociétés Internet pourraient gagner beaucoup d'argent avec un tel système de recommandation, cet exemple montre également que ce sont principalement des problèmes de niche qui seront résolus avec les ordinateurs quantiques. «C'est en effet un défi majeur de trouver des problèmes pertinents qui s'inscrivent dans le cadre strict de l'algorithme quantique», déclare Frank Verstraete. « Depuis le début des années 1990, les théoriciens se demandent comment résoudre les problèmes classiques avec des algorithmes quantiques. Avec très peu de résultats.'
Harry Buhrman n'est pas d'accord. Il voit un certain nombre d'algorithmes quantiques qui ont été développés pour des applications concrètes. "Je pense à des méthodes améliorées pour résoudre les défis traditionnels de l'informatique, tels que les problèmes de recherche, d'optimisation et de réseau." Dans ce domaine, il s'agit entre autres de trouver la bonne réponse le plus rapidement possible dans une gigantesque montagne de données. .
Pourtant, Buhrman admet également qu'il y a quelque chose qui ne va pas dans le message populaire selon lequel un ordinateur quantique peut calculer "exponentiellement" plus rapidement qu'un ordinateur ordinaire. "Il calcule juste différemment. Un ordinaire calcule avec des bits, avec des zéros et des uns. Un ordinateur quantique avec des qubits, qui peuvent prendre plusieurs valeurs à la fois. Vous avez donc besoin d'une architecture informatique complètement différente pour cela, et d'une manière complètement différente de programmer. Vous ne pourrez donc jamais transférer un algorithme classique à un ordinateur quantique comme ça, dans l'espoir qu'il le parcourra en un rien de temps.» Chez QuSoft, Buhrman et ses collègues sont donc à la recherche de nouveaux algorithmes quantiques. Pour le moment, ils le font toujours avec un stylo et du papier – et parfois avec un ordinateur ordinaire. Buhrman :"Ce serait bien sûr bien si nous pouvions tester nos algorithmes sur un véritable ordinateur quantique."
Comment trouver un nouvel algorithme quantique qui a un résultat utile et qu'un ordinateur quantique pourra utiliser à l'avenir ? «Nous maîtrisons un certain nombre de techniques caractéristiques des algorithmes quantiques», déclare Buhrman. « Notre recherche se concentre désormais sur des problèmes ou des problèmes intéressants sur lesquels nous pouvons utiliser ces techniques. Comparez-le au développement actuel des applications. Vous ne trouvez pas une bonne application par hasard, mais vous pouvez la trouver en utilisant intelligemment les derniers outils à votre disposition en tant que programmeur.'
Selon Buhrman, l'arsenal actuel d'algorithmes quantiques n'est que la pointe de l'iceberg. « En informatique, vous avez trois catégories de problèmes. Le premier contient les problèmes dont nous savons déjà qu'un ordinateur quantique ne pourra jamais les résoudre plus rapidement qu'un ordinateur ordinaire. Le second contient les problèmes dont nous savons qu'ils sont possibles - pensez aux simulations quantiques, aux factorisations et aux problèmes dits d'optimisation. La troisième catégorie est la partie invisible de l'iceberg :nous ne savons tout simplement pas ce qui est encore possible et ce qui ne l'est pas.'
Une fois que l'ordinateur quantique est là et que le matériel est prêt, il en va de même pour le logiciel. C'est pourquoi Buhrman a fondé QuSoft il y a trois ans, en tant que pendant logiciel de QuTech, l'ambitieux laboratoire de TU Delft et Microsoft qui tente de construire un ordinateur quantique. Les logiciels Quantum sont différents à tous points de vue des programmes et applications qui s'exécutent sur nos ordinateurs portables et smartphones. Burhman :« Cela implique une manière complètement différente de programmer. L'ordinateur ordinaire n'a donc pas à craindre pour sa survie. Vous ne pourrez jamais exécuter un simple traitement de texte sur un ordinateur quantique."
Un ordinateur quantique avec un certain nombre de qubits fonctionne grâce à l'état de superposition dans lequel se trouve le système. La superposition signifie qu'un système peut être dans plusieurs états quantiques en même temps. Un ordinateur quantique peut donc effectuer plusieurs calculs simultanément.
Cependant, la mécanique quantique stipule que si vous prenez une mesure sur un système, la superposition s'effondre - l'ordinateur quantique donne alors un résultat aléatoire. Un algorithme quantique permet aux calculs qui ont donné naissance à un résultat d'interagir de manière constructive. Celui-ci doit garantir qu'une mesure en fin de calcul donne le bon résultat.
Afin de garantir la superposition, les qubits d'un ordinateur quantique doivent donc être extrêmement isolés de l'environnement. Sinon, les informations stockées dans le système quantique s'évaporent. Plus il y a de qubits, plus le système est gros et plus il est difficile à protéger. «Vous êtes en fait dans un système quantique avec un continuum d'erreurs», explique le physicien quantique Frank Verstraete. "Il y en a une infinité." Et pourtant ce problème a été résolu en théorie. "Des collègues à moi (dont Peter Shor, éd.) ont prouvé qu'il est possible de garder des millions de qubits en superposition les uns avec les autres. En bref, qu'un système quantique peut être rendu arbitrairement grand, et qu'il n'y a donc pas de barrière insurmontable entre le monde quantique et le monde macro.'
C'est une idée spectaculaire. Fondamentalement, cela signifie qu'un système quantique macroscopique peut exister. Cela signifie à son tour qu'un objet, voire un organisme vivant, peut se trouver à deux endroits en même temps, par exemple. Ou que le chat de la célèbre expérience de pensée d'Erwin Schrödinger, l'un des fondateurs de la mécanique quantique, peut être à la fois mort et vivant.
Dans les rapports sur la course à l'ordinateur quantique, le terme « suprématie quantique » revient souvent. Il fait référence au moment (dans le futur) où un ordinateur quantique peut résoudre un problème insoluble pour les ordinateurs ordinaires. Quand nous pouvons nous attendre à ce moment est difficile à prévoir et dépend de la vitesse à laquelle la technologie continue de se développer. Mais là où « l'hégémonie quantique » se cache quelque part, il y a plus ou moins consensus à ce sujet. "Nous soupçonnons qu'il existe entre cinquante et cent qubits un seuil au-dessus duquel les ordinateurs ordinaires ne peuvent plus rivaliser avec un ordinateur quantique pour certains problèmes", déclare Harry Burhman, directeur de QuSoft.
Le physicien théoricien Frank Verstraete (UGent) ne sautera pas de joie si l'hégémonie quantique est annoncée prochainement. «La course à la suprématie quantique se concentre principalement sur des problèmes faciles pour un ordinateur quantique et difficiles pour un ordinateur ordinaire. Mais les problèmes que l'on examine ne sont en réalité pas scientifiquement pertinents.'
