L’ordinateur quantique: une révolution ?

Alors que les ordinateurs et la quantique existent depuis plus de 50 ans, ce n’est que depuis 1981 que l’on a l’idée de faire une machine quantique. De fait, en utilisant la dualité des corps quantiques dans des processeurs, la puissance de calcul devient alors exponentielle. En 2011, D-Wave vend le premier processeur quantique, mais cela reste bien loin de l’ordinateur classique que l’on connaît.

Cependant, en décembre 2016 un article du Physical Review Letters explique comment ces machines quantiques pourraient devenir des ordinateurs quantiques universels, c’est-à-dire des machines capables d’aborder n’importe quel problème. Les intérêts de ce nouveau projet fou sont multiples que ce soit en informatique, en cryptographie, dans la gestion de réseaux complexes. . .

Le texte qui suit retrace les racines historiques de l’ordinateur quantique. Dans un premier temps, il abordera l’origine de la quantique et la machine quantique. Dans un second temps, il décrira l’histoire de l’ordinateur. Finalement, il expliquera comment aujourd’hui on tente de transformer les machines quantiques en de véritables « ordinateurs » quantiques.

Notez qu’il faut distinguer la notion de machine quantique et d’ordinateur quantique. Une machine quantique est un outil simulant des phénomènes quantiques et qui est spécialisée dans des résolutions problèmes probabilistes. Celle-ci n’est pas à confondre avec l’ordinateur quantique qui n’est pas encore une invention aboutie et qui permettrait de résoudre tout type de problème comme un ordinateur classique, mais bien plus rapidement.
D’une part, au milieu de la Seconde Guerre mondiale, les Allemands s’échangent des messages qu’ils cryptent au moyen d’Enigma. Les plus grands mathématiciens et cryptologies anglais sont alors chargés de les décoder afin d’anticiper les attaques ennemies. Malheureusement, impossible pour eux de tester les centaines de milliards de milliards de combinaisons en un jour. C’est alors que Alan Turing entre en jeu et invente une machine capable de tester ces combinaisons : le premier ordinateur.

Depuis, sa machine n’a cessé d’être améliorée et aujourd’hui ceux-ci sont omniprésents. L’ordinateur actuel est basé sur un système de calcul binaire. Ceux-ci sont exécutés dans des microprocesseurs constitués de transistors. Les transistors sont de petit interrupteur (de l’ordre de 20 nm) pouvant prendre soit la valeur 1 ou 0 et permettent d’exécuter tout type de taches. Il y a quelques années, Gordon Moore, cofondateur de Intel, énonçait sa célèbre loi selon laquelle les microprocesseurs et les transistors diminuaient de moitié en taille tous les deux ans. Cependant, aujourd’hui il semblerait que cette loi ait des limites. De fait, l’ITRS (International Technology Roadmap for Semiconductors) a paru un article1 expliquant que la limite des transistors serait atteinte d’ici 2021 et que leur taille limite serait de l’ordre de 5 nm.

D’autre part, le 14 décembre 1900, à l’académie de Berlin, Max Planck démontre que la mécanique classique ne permet pas d’expliquer l’émission d’énergie des corps noirs. De fait, ceux-ci émettent de l’énergie par paquets. Planck appellera ces paquets : les quantas. Peu après, Einstein décide d’appliquer cette nouvelle notion à la lumière en observant l’effet photoélectrique. Ces quantas de lumières seront plus tard nommés « photons ». Louis de Broglie en 1923 et Erwin Schrödinger en 1926 décrivent la dualité onde-particule de la lumière et de la matière.

Quarante ans plus tard, alors que la physique quantique n’a pas cessé de se complexifier Richard Feynman décrit en 1981 une machine simulant des phénomènes quantiques et permettant de les observer directement. Ce n’est que dans les années 1990 que l’on commence à penser à des machines quantiques. Ces machines ne seraient plus codées avec des bits, mais avec des qbits. Alors qu’un bit peut prendre les valeurs 0 ou 1, un qbit peut prendre c’est deux valeurs simultanément. Cela signifie que, contrairement au bit qui peuvent exécuter n opérerions avec n bits, avec n qbits, on peut exécuter 2 exposants n opérations. En 1994, Peter Shor écrit le premier algorithme permettant de réaliser un calcul simple et en 2001 celui-ci est enfin réalisé. En 2009, une grande étape est passée, le premier microprocesseur quantique est produit et 2011 que la première machine quantique est commercialisé.
Les problèmes sont encore nombreux tels que l’instabilité des états quantiques, le travail sous froid absolu, le contrôle de ces états…
Venons enfin à la fusion entre l’ordinateur et la machine quantique. Il est parfois compliqué de discerner les vraies avancées en la matière. Plusieurs entreprises se battent pour être les premières à construire un ordinateur quantique et se targuent d’avoir fait des avancées spectaculaires. Il faut donc réussir à tirer les bonnes informations de ces documents. Par exemple, l’entreprise D-wave se vante2 d’avoir produit un ordinateur quantique capable de résoudre des problèmes beaucoup plus rapidement.

Mais des études 3 ont prouvé que cet ordinateur n’est pas vraiment plus rapide et n’est capable de résoudre que des tâches spécifiques comme des simulations.

Cependant, certaines avancées sont bien réelles. L’une des plus importantes a été faite au niveau des puces quantiques. En effet, une étude réalisée conjointement entre plusieurs universités et publiée dans Physical Review Letter4 montre qu’il serait possible de contrôler des microprocesseurs quantiques avec un simple. Jusqu’à maintenant, la plupart des machines quantiques se basent sur des simulations de phénomène quantique contrôlé par de multiples lasers surpuissants. Cela est très onéreux, mais l’idée de contrôler des états quantiques par le courant permettrait de simplifier grandement la production des processeurs et ainsi pouvoir les intégrer dans des circuits plus classiques. De plus, cette technologie rend possible une exécution par fonctions logiques (comme nos ordinateurs actuels) et permettrait donc d’exécuter n’importe quelles tâches gérées par un ordinateur classique, mais beaucoup plus rapidement. Grâce à cette innovation, l’ordinateur quantique pour tous n’est plus une utopie ! Pour conclure, on peut affirmer que l’ordinateur quantique est une vraie révolution. En effet, cette invention basée sur des concepts découverts il y a près de cent ans pourrait par l’avenir résoudre des problèmes jusque là insolubles. Pour l’instant, les machines quantiques sont encore réservées aux chercheurs et aux universités, mais qui sait, peut-être que d’ici cinquante ans chacun possèdera son propre ordinateur quantique ! Les enjeux technologique et économique sont donc de taille et plusieurs entreprises telles que IBM, Google et Microsoft, D-Wave investissent des millions pour arriver à leurs fins. Il reste encore du chemin avant d’arriver à une version définitive du projet. Il faudra notamment contrôler et stabiliser les états quantiques, gérer le froid absolu. . .

Cependant, une fois abouti, des questions éthiques se poseront. En effet, certaines organisations pourraient utiliser cette future machine surpuissante pour casser des codes bancaires. Pire certains pourraient même accéder à divers comptes d’un utilisateur et ainsi découvrir sa vie privée.
En bref, on est sur le point d’inventer un ordinateur surpuissant pouvant révolutionner le monde.
Mais qui dit machine surpuissante, dit aussi peut-être désastre sans précédent au niveau de la manipulation des données. Reste à voir comment l’homme compte gérer ce nouvel outil…

Pour en savoir plus:

Benjamin Lévi. Simulation de systèmes quantiques sur un ordinateur quantique réaliste. Physique
[physics]. Université Paris-Diderot – Paris VII, 2004. Français. <tel-00007592>.
lien : https ://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00007592/document
— Nicolas Didier. The Josephson eect in superconductors and quantum gases. Condensed Matter
[cond-mat]. Universite Joseph-Fourier – Grenoble I, 2009. English. <tel-00459413>
lien :https ://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00459413/document
— Denis Crottet,(2000) L’Ordinateur Quantique,EPFL
lien : https ://arxiv.org/pdf/quant-ph/0003132v1.pdf
— Calan,”Quantique physique”, Encyclopædia Universalis [en ligne], consulté le 30 mars 2017
lien : http ://www.universalis.fr/encyclopedie/physique-quantique/1-la-naissance-de-la-physiquequantique/
— Roman Ikonicoff,(2016),Une nouvelle avancée majeure pour construire un ordinateur quantique, Sciencevie.
lien : https ://www.science-et-vie.com/article/une-nouvelle -avancee-majeure-pour-construireun-ordinateur-quantique-7320
— Gabriel Popkin,(2016), Scientists are close to building a quantum computer that can beat a conventional one, Science
lien : http ://www.sciencemag.org/news/2016/12/scientists-are-close -building-quantum-computercan-beat-conventional-one