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L’informatique quantique va changer le monde

Quels en seront les effets sur notre quotidien?

Cela fait déjà plusieurs années que le monde de la science et de la technologie est animé par l’informatique quantique, mais notre quotidien est toujours dépourvu d’une telle technologie. Les systèmes quantiques peuvent crypter les données de manière infaillible, nous permettre d’exploiter l’énorme quantité de données existantes, et résoudre des problèmes complexes que même les supercalculateurs les plus puissants ne peuvent résoudre (comme des diagnostics médicaux et des prévisions météorologiques).

Or, en novembre dernier, nous avons fait un pas de plus en direction de ce futur quantique nébuleux, alors que paraissaient dans la prestigieuse revue Nature deux articles faisant état de systèmes quantiques parmi les plus avancés à ce jour.

Dans cette interview accordée à Futurism, Mikhail Lukin, professeur de physique à l’Université Harvard et auteur principal de l’un de ces articles, explique l’état actuel de l’informatique quantique, nous dit quand nos téléphones et nos bureaux pourraient être équipés de technologies quantiques, et ce qu’il faudra pour que cela se produise.

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Futurism : Pouvez-vous d’abord nous expliquer, en termes simples, comment fonctionne l’informatique quantique?

Mikhail Lukin : Commençons par expliquer comment fonctionnent les ordinateurs classiques. Avec un ordinateur classique, vous formulez le problème que vous voulez résoudre sous la forme d’une entrée, qui est essentiellement un flux constitué de 0 et 1. Pour effectuer des calculs, il faut créer un certain nombre de règles fondées sur la façon dont ce flux pourra circuler – c’est notre processus de calcul (addition, multiplication, etc.).

Mais nous savons depuis plus de 100 ans que le monde microscopique est fondamentalement régi par les lois de la mécanique quantique, et à l’échelle quantique, on retrouve également des systèmes. Votre ordinateur, par exemple, ou votre chaise pourraient être placés dans deux états différents à la fois – c’est l’idée de la superposition quantique. En d’autres termes, votre ordinateur pourrait se trouver simultanément à Boston et à New York. Donc, cette superposition quantique, même si elle nous paraît très étrange, est permise par les lois de la mécanique quantique. À grande échelle, comme dans mon exemple, c’est évidemment très bizarre. Mais dans le monde microscopique, comme à l’échelle d’un seul atome, ce type d’état superposé est en fait assez courant. Ainsi, en effectuant de nombreuses expériences scientifiques, les chercheurs ont pu démontrer qu’un même atome peut se trouver dans deux états différents à la fois.

L’idée de l’ordinateur quantique est d’utiliser les règles de la mécanique quantique pour traiter l’information. On peut assez facilement comprendre pourquoi ce type de machine peut être si puissant. Avec un ordinateur classique, vous fournissez des données d’entrée, il les traite, puis vous transmet des données de sortie. Mais avec du matériel utilisant les principes de la mécanique quantique, plutôt que de simplement fournir de manière séquentielle des données d’entrée et de lire les réponses, le registre informatique peut être dans les superpositions quantiques de différents types d’entrées à la fois.

Cela signifie que si on traite cet état de superposition à l’aide des lois de la mécanique quantique, on peut traiter beaucoup, beaucoup d’entrées à la fois. L’accélération sera même exponentielle par rapport aux programmes classiques.

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F : À quoi ressemble un ordinateur quantique?

ML : En entrant dans une pièce où se trouve notre machine quantique, vous verriez une cellule ou un tube à vide dans lequel sont projetés une série de lasers. À l’intérieur, on utilise un type d’atome en très faible densité. Nous utilisons les lasers pour ralentir le mouvement atomique très près du zéro absolu, un processus appelé « refroidissement par laser ».

F : Et comment le programmez-vous?

ML : Pour programmer un ordinateur quantique, nous lançons une centaine de rayons laser concentrés dans une chambre à vide. Chacun de ces faisceaux laser agit comme une pince optique, en saisissant un atome ou non. Nous avons ces pièges atomiques, chacun étant chargé ou vide. Nous prenons ensuite une photo de ces atomes piégés, et nous déterminons quels pièges sont pleins et lesquels sont vides. Ensuite, nous réarrangeons les pièges contenant des atomes uniques selon la configuration que nous souhaitons. Comme chacun des atomes est retenu séparément et donc facilement contrôlable, nous pouvons en principe les positionner comme nous le souhaitons.

Positionner ainsi les atomes constitue une manière de programmer. Pour bien contrôler les qubits, nous amenons doucement et prudemment les atomes de leur niveau d’énergie le plus bas vers un niveau d’énergie supérieur. Nous utilisons pour cela des faisceaux laser soigneusement choisis qui sont projetés à une transition spécifique. Leur fréquence est très étroitement contrôlée. Dans cet état excité, les atomes deviennent très volumineux, et se mettent à interagir ou, pourrait-on dire, à communiquer entre eux. En choisissant l’état auquel nous excitons les atomes, de même que leurs arrangements et leurs positions, nous pouvons programmer les interactions avec beaucoup de contrôle.

F : Pour quels types d’applications l’ordinateur quantique est-il le plus utile?

ML : Pour être honnête, nous ne connaissons pas vraiment la réponse à cette question. Nous croyons que les ordinateurs quantiques ne sont pas nécessairement bons pour tous les types de calcul. Mais certains problèmes sont mathématiquement difficiles à résoudre, même pour les meilleurs ordinateurs classiques. Il s’agit généralement de problèmes très complexes, d’optimisations complexes par exemple, impliquant plusieurs contraintes contradictoires à gérer.

Imaginons que vous vouliez donner un cadeau collectif à un groupe de personnes aux intérêts variés. Or, il se pourrait que certains intérêts soient contradictoires. Pour résoudre ce problème de façon classique, vous pourriez regrouper les individus par paires ou triplets pour vous assurer de satisfaire les intérêts non contradictoires. La complexité de ce problème augmentera très rapidement si vous ajoutez des personnes, car le nombre de combinaisons classiques à vérifier est exponentiel. Plusieurs croient que les ordinateurs quantiques s’avéreraient plus efficaces pour résoudre ce type de problème.

Un autre exemple bien connu est la factorisation. Si on prend un petit nombre, disons 15, nous savons qu’il a 3 et 5 comme facteurs. Mais c’est le genre de problème qui se complexifie très rapidement si on prend des nombres de plus en plus élevés. Si on prend un nombre élevé qui a deux grands facteurs, la meilleure façon avec la méthode classique de trouver ces facteurs est d’essayer tous les nombres en commençant par un, deux, trois, et ainsi de suite. Mais il s’avère qu’il existe un algorithme quantique, appelé algorithme de Shor, qui permet de trouver les facteurs d’un nombre de manière exponentiellement plus rapide que les meilleurs algorithmes classiques connus. Si vous pouvez faire quelque chose à une vitesse exponentiellement plus élevée qu’à l’aide d’une autre approche, cela représente un énorme avantage.

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F : J’ai l’impression que votre mission, et celle des autres dans le domaine, est d’améliorer cette technologie et de nous aider à mieux la comprendre. Les applications semblent plutôt secondaires, et seront développées quand vous aurez les outils. Est-ce le cas?

ML : Je vais répondre à votre question par une analogie. Les premiers ordinateurs classiques étaient surtout utilisés pour faire des calculs scientifiques et des expériences numériques destinés à mieux comprendre le comportement des systèmes physiques complexes. Aujourd’hui, les ordinateurs quantiques en sont à ce stade de développement. Ils nous permettent déjà d’étudier des phénomènes physiques quantiques complexes. Ils sont utiles dans un cadre scientifique, et les chercheurs les utilisent déjà à cette fin.

En fait, un des constats de nos articles [publiés dans Nature] est que nous avons déjà construit des machines suffisamment grandes, complexes et quantiques pour réaliser des expériences scientifiques autrement très difficiles à réaliser, même à l’aide des meilleurs ordinateurs classiques (principalement des superordinateurs). Dans le cadre de nos travaux, l’appareil nous a déjà permis de faire une découverte scientifique. Celle-ci n’avait pu être faite jusqu’à présent, en partie en raison du fait qu’il est très difficile pour les ordinateurs classiques de modéliser ces systèmes. À certains égards, nous sommes en train de franchir le seuil où les machines quantiques deviennent utiles, du moins à des fins scientifiques.

Pendant le développement des ordinateurs classiques, on avait déjà une bonne idée des algorithmes qu’on allait pouvoir utiliser. Mais en fait, lorsque les premiers ordinateurs ont été construits et qu’on a commencé à les expérimenter, cela a mené à la création de nombreux algorithmes plus efficaces et plus utiles. En d’autres termes, c’est à ce moment-là qu’on a découvert à quoi ces ordinateurs pouvaient réellement servir.

C’est la raison pour laquelle je dis que nous ne pouvons pas vraiment savoir aujourd’hui à quelles tâches les ordinateurs quantiques s’avéreront particulièrement utiles. La seule façon de le découvrir est de construire de puissants ordinateurs quantiques fonctionnels, et de les mettre à l’essai. C’est un objectif de grande importance, et nous entrons maintenant dans cette phase. Nous nous approchons sérieusement du stade où nous pourrons commencer à expérimenter des algorithmes quantiques sur des machines à grande échelle.

F : Parlez-moi un peu de votre article dans Nature. De quelle avancée est-il question? Et à quel point sommes-nous près de concevoir des algorithmes faits pour les ordinateurs quantiques?

ML : Parlons d’abord de la manière de quantifier les machines quantiques. Pour ce faire, utilisons trois axes. Sur un des axes se trouverait l’échelle indiquant le nombre de qubits, [ou bits quantiques, soit l’unité élémentaire de l’ordinateur quantique, l’équivalent des bits en informatique classique]. Plus il y en a, mieux c’est. Un autre axe indiquerait le degré de « quanticité », c’est-à-dire la cohérence de ces systèmes. Maintenant, pour quantifier un ordinateur quantique, vous devez déterminer la probabilité qu’un calcul soit exempt d’erreur lorsque vous utilisez un nombre donné de qubits.

Si vous n’utilisez qu’un seul qubit, les probabilités d’erreur sont minimes. Mais dès que leur nombre est plus élevé, ces probabilités augmentent de façon exponentielle. Les systèmes dont il est question dans notre article et dans l’article complémentaire ont assez de qubits et sont suffisamment cohérents pour effectuer la série de calculs avec une probabilité d’erreur relativement faible. En d’autres termes, en un nombre donné d’essais, nous pouvons obtenir un résultat exempt d’erreur.

Mais ce n’est pas tout. Le troisième axe indique le potentiel de programmation de la machine. Essentiellement, si vous pouvez faire communiquer chaque qubit avec chacun des autres qubits de manière arbitraire, vous pouvez alors coder n’importe quel problème quantique dans la machine. De telles machines sont parfois appelées ordinateurs quantiques universels. Notre machine n’est pas entièrement universelle, mais elle présente un très haut degré de programmabilité. Nous pouvons en fait changer la connectivité très rapidement. C’est ce qui nous permet finalement d’expérimenter et de faire de nouvelles découvertes sur ces phénomènes quantiques complexes.

F : Les ordinateurs quantiques pourront-ils un jour être réduits à la taille d’un téléphone ou d’un autre type d’appareil mobile?

ML : Ce n’est pas impossible. Il existe des moyens de les assembler de sorte à les rendre portables, potentiellement de les miniaturiser suffisamment, peut-être pas à la taille d’un téléphone mobile, mais peut-être d’un ordinateur de bureau. Mais à l’heure actuelle, ce n’est pas encore possible.

F : Croyez-vous qu’à l’instar des ordinateurs classiques, les ordinateurs quantiques passeront du stade de la découverte scientifique à celui d’une utilisation massive dans une trentaine d’années?

ML : La réponse est oui, mais pourquoi trente ans? Ça pourrait se produire beaucoup plus rapidement.

F : Quels progrès doit-on encore réaliser pour en arriver là?

ML : Je pense qu’il nous faut des ordinateurs assez puissants pour comprendre pleinement à quoi ils peuvent vraiment servir. Nous ne savons pas encore ce que les ordinateurs quantiques sont capables de faire. Nous ne connaissons pas leur plein potentiel. Je crois que le prochain défi est là.

La prochaine étape sera celle de l’ingénierie et de la création de machines destinées à des applications spécialisées. Plusieurs travaillent déjà, y compris [mon équipe], à la mise au point de petits appareils quantiques conçus pour, par exemple, aider au diagnostic médical. Dans certaines de ces applications, les systèmes quantiques ne font que mesurer de minuscules champs électriques ou magnétiques dans le but d’améliorer l’efficacité des diagnostics. Je crois que c’est déjà en train de se produire. Certaines de ces idées sont déjà en phase de commercialisation.

Alors peut-être que des applications plus générales pourraient être commercialisées. Dans la pratique, les ordinateurs quantiques et les ordinateurs classiques fonctionneront probablement de manière complémentaire. En fait, il est fort probable que la majeure partie du travail sera effectuée par des ordinateurs classiques, mais que certaines parties, les problèmes les plus difficiles, seront résolues par des machines quantiques.

Il existe également un autre domaine appelé communication quantique qui s’intéresse au transfert d’états quantiques entre stations éloignées. En utilisant les états quantiques pour envoyer de l’information, on peut construire des lignes de communication totalement sécurisées. De plus, grâce aux réseaux quantiques (parfois appelés internet quantique) nous devrions pouvoir accéder à distance à des serveurs quantiques. On peut donc facilement imaginer de nombreuses manières qui amèneront les ordinateurs quantiques à faire partie de notre quotidien, sans nécessairement les porter dans notre poche.

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F : Y a-t-il quelque chose au sujet des ordinateurs quantiques qui devrait être davantage connu du public?

ML : L’informatique quantique et les technologies quantiques sont dans l’actualité depuis un certain temps. Pour nous, les scientifiques, il s’agit d’un domaine passionnant. Elle représente réellement une frontière de la recherche scientifique dans de nombreux sous-domaines. Depuis cinq à dix ans, la plupart des gens croient que les développements dans le domaine sont très futuristes, qu’il faudra attendre encore longtemps avant de créer des ordinateurs quantiques utiles.

Je pense que ce n’est pas du tout le cas. Je crois que nous entrons déjà dans une ère nouvelle qui présente un potentiel énorme de découvertes scientifiques, qui amènera des applications étendues pour la science des matériaux, la chimie, tout ce qui implique des systèmes physiques complexes. Mais j’ai aussi l’impression que très bientôt, nous allons commencer à découvrir à quelles fins les ordinateurs quantiques peuvent être utiles dans un cadre beaucoup plus large, allant de l’optimisation à l’intelligence artificielle et l’apprentissage automatique (machine learning). Je crois que tout ça se profile à l’horizon.

Nous ne savons pas encore ce que feront les ordinateurs quantiques, ni comment ils le feront, mais nous le saurons très bientôt.

traduction Mathieu Lepage

Futurism

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