Depuis les années 80, la quête d’ordinateurs quantiques a suscité intrigue et engagement sans relâche. Ces machines, capables de traiter l’information d’une manière révolutionnaire, se heurtent encore à des défis techniques avant de devenir une réalité quotidienne. Que nous réserve l’avenir de cette technologie fascinante ?
En 1981, le physicien américain et lauréat du prix Nobel, Richard Feynman, a donné une conférence au Massachusetts Institute of Technology (MIT) près de Boston, au cours de laquelle il a esquissé une idée révolutionnaire. Feynman a suggéré que la physique étrange de la mécanique quantique pourrait être utilisée pour effectuer des calculs.
Le domaine de l’informatique quantique est né. En plus de 40 ans, cela est devenu un domaine intensif de recherche en informatique. Malgré des années de développement frénétique, les physiciens n’ont pas encore construit d’ordinateurs quantiques pratiques adaptés à un usage quotidien et dans des conditions normales (par exemple, de nombreux ordinateurs quantiques fonctionnent à des températures très basses). Des questions et des incertitudes subsistent toujours sur les meilleures façons d’atteindre ce jalon.
Explication : Qu’est-ce que l’informatique quantique ?
Qu’est-ce que l’informatique quantique exactement, et à quel point sommes-nous proches de voir cette technologie utilisée largement ? Commençons par examiner l’informatique classique, le type d’informatique sur lequel nous comptons aujourd’hui, comme l’ordinateur portable que j’utilise pour écrire cet article.
Note de l’éditeur :
L’auteur invité Domenico Vicinanza est professeur associé de systèmes intelligents et de sciences des données à l’Université d’Anglia Ruskin. Les domaines d’expertise de Domenico incluent la technologie audio et musicale, l’ingénierie électrique et électronique, et il a travaillé comme associé scientifique au CERN pendant sept ans. Cet article est republié de The Conversation sous une licence Creative Commons.
Les ordinateurs classiques traitent l’information à l’aide de combinaisons de « bits », leurs plus petites unités de données. Ces bits ont des valeurs de 0 ou 1. Tout ce que vous faites sur votre ordinateur, de l’écriture d’emails à la navigation sur le web, est rendu possible par le traitement de combinaisons de ces bits sous forme de chaînes de zéros et de uns.
Les ordinateurs quantiques, en revanche, utilisent des qubits. Contrairement aux bits classiques, les qubits ne représentent pas seulement 0 ou 1. Grâce à une propriété appelée superposition quantique, les qubits peuvent être dans plusieurs états simultanément. Cela signifie qu’un qubit peut être 0, 1, ou les deux en même temps. C’est ce qui confère aux ordinateurs quantiques la capacité de traiter d’énormes quantités de données et d’informations simultanément.
Imaginez pouvoir explorer chaque solution possible à un problème en même temps, au lieu de le faire une à une. Cela vous permettrait de naviguer à travers un labyrinthe en essayant simultanément tous les chemins possibles pour trouver le bon. Les ordinateurs quantiques sont donc incroyablement rapides pour trouver des solutions optimales, comme identifier le chemin le plus court, ou le moyen le plus rapide.
Pensez au problème extrêmement complexe de la reprogrammation des vols des compagnies aériennes après un retard ou un incident imprévu. Cela se produit régulièrement dans le monde réel, mais les solutions appliquées peuvent ne pas être les meilleures ou les plus optimales. Pour déterminer les réponses optimales, les ordinateurs classiques devraient considérer, un par un, toutes les combinaisons possibles de déplacement, de déviation, de retard, d’annulation ou de regroupement des vols.
Chaque jour, il y a plus de 45 000 vols, organisés par plus de 500 compagnies aériennes, reliant plus de 4 000 aéroports. Ce problème prendrait des années à résoudre pour un ordinateur classique.
D’autre part, un ordinateur quantique pourrait essayer toutes ces possibilités en même temps et laisser la meilleure configuration émerger naturellement. Les qubits ont également une propriété physique connue sous le nom d’enchevêtrement. Lorsque les qubits sont enchâssés, l’état d’un qubit peut dépendre de l’état d’un autre, peu importe la distance qui les sépare.
Ceci est quelque chose qui, encore une fois, n’a pas d’équivalent dans l’informatique classique. L’enchevêtrement permet aux ordinateurs quantiques de résoudre certains problèmes de manière exponentiellement plus rapide que ne le peuvent les ordinateurs traditionnels.
Une question courante est de savoir si les ordinateurs quantiques remplaceront complètement les ordinateurs classiques ou non. La réponse courte est non, du moins pas dans un avenir prévisible. Les ordinateurs quantiques sont incroyablement puissants pour résoudre des problèmes spécifiques – tels que simuler les interactions entre différentes molécules, trouver la meilleure solution parmi de nombreuses options ou traiter le cryptage et le décryptage. Cependant, ils ne sont pas adaptés à tous les types de tâches.
Les ordinateurs classiques traitent un calcul à la fois dans une séquence linéaire, et ils suivent des algorithmes (ensembles de règles mathématiques pour exécuter des tâches informatiques spécifiques) conçus pour être utilisés avec des bits classiques qui sont soit 0, soit 1. Cela les rend extrêmement prévisibles, robustes et moins sujets aux erreurs que les machines quantiques. Pour des besoins informatiques quotidiens tels que le traitement de texte ou la navigation sur Internet, les ordinateurs classiques continueront de jouer un rôle dominant.
Il y a au moins deux raisons à cela. La première est pratique. Construire un ordinateur quantique capable de réaliser des calculs fiables est extrêmement difficile. Le monde quantique est incroyablement instable, et les qubits sont facilement perturbés par des éléments de leur environnement, tels que l’interférence électromagnétique, ce qui les rend sujets à des erreurs.
Meet Willow: Our state-of-the-art quantum chip. It’s the first quantum chip to show exponential error reduction as qubits scale, paving the way for large-scale, fault-tolerant quantum computers. Dive in → https://t.co/Lr1vkZk1QT pic.twitter.com/8VkiXQ694u
– Google Quantum AI (@GoogleQuantumAI) 9 décembre 2024
La seconde raison réside dans l’incertitude inhérente au traitement des qubits. Parce que les qubits sont en superposition (ne sont ni 0 ni 1), ils ne sont pas aussi prévisibles que les bits utilisés dans l’informatique classique. Les physiciens décrivent donc les qubits et leurs calculs en termes de probabilités. Cela signifie que le même problème, en utilisant le même algorithme quantique, exécuté plusieurs fois sur le même ordinateur quantique, pourrait donner une solution différente à chaque fois.
Pour faire face à cette incertitude, les algorithmes quantiques sont généralement exécutés plusieurs fois. Les résultats sont ensuite analysés statistiquement pour déterminer la solution la plus probable. Cette approche permet aux chercheurs d’extraire des informations significatives des calculs quantiques intrinsèquement probabilistes.
D’un point de vue commercial, le développement de l’informatique quantique en est encore à ses débuts, mais le paysage est très diversifié avec de nombreuses nouvelles entreprises qui apparaissent chaque année. Il est fascinant de constater qu’en plus des grandes entreprises établies comme IBM et Google, de nouvelles entreprises comme IQM, Pasqal et des startups telles qu’Alice et Bob rejoignent la bataille. Elles travaillent toutes à rendre les ordinateurs quantiques plus fiables, évolutifs et accessibles.
Dans le passé, les fabricants ont attiré l’attention sur le nombre de qubits dans leurs ordinateurs quantiques, comme mesure de la puissance de la machine. Les fabricants mettent de plus en plus l’accent sur les moyens de corriger les erreurs auxquelles les ordinateurs quantiques sont sujets. Ce changement est crucial pour le développement d’ordinateurs quantiques à grande échelle et tolérants aux fautes, car ces techniques sont essentielles pour améliorer leur utilisabilité.
Le dernier chip quantique de Google, Willow, a récemment montré des progrès remarquables dans ce domaine. Plus Google a utilisé de qubits dans Willow, plus il a réduit les erreurs. Cette réalisation marque une étape significative vers la construction d’ordinateurs quantiques pertinents sur le plan commercial capables de révolutionner des domaines comme la médecine, l’énergie et l’IA.
Après plus de 40 ans, l’informatique quantique est encore à ses débuts, mais des avancées importantes sont attendues dans la prochaine décennie. La nature probabiliste de ces machines représente une différence fondamentale entre l’informatique quantique et classique. C’est ce qui les rend fragiles et difficiles à développer et à mettre à l’échelle.
En même temps, c’est ce qui en fait un outil très puissant pour résoudre des problèmes d’optimisation, en explorant plusieurs solutions à la fois, plus rapidement et plus efficacement que ne peuvent le faire les ordinateurs classiques.