Dans cet article de blog, nous explorerons le contexte du développement des ordinateurs quantiques, leurs principes et leur état actuel, et nous discuterons de leur importance.
« Un ordinateur quantique ? Beurk… »
Quiconque a étudié la physique au lycée aura probablement un haut-le-cœur à la simple mention du mot « quantique ». On pourrait penser : « Les ordinateurs que nous utilisons actuellement sont suffisamment performants… » Pourtant, les principaux instituts de recherche des pays développés, dont IBM aux États-Unis, se livrent une véritable course pour mener des recherches sur les ordinateurs quantiques. Autrement dit, les ordinateurs quantiques sont considérés comme un élément indispensable au développement futur de la civilisation humaine. Dans cet article, j’expliquerai le contexte de la création des ordinateurs quantiques, leurs principes et leur état actuel. Quel est le défi le plus important auquel la civilisation humaine est confrontée au XXIe siècle ?
Il existe différentes architectures informatiques, mais nous utilisons actuellement l'architecture de von Neumann. Cette architecture est la première à avoir mis en œuvre le traitement séquentiel avec mémoire interne proposé pour les ordinateurs ; elle se caractérise par un jeu d'instructions qui consiste à exécuter une séquence d'instructions et à modifier les valeurs à des emplacements mémoire spécifiques.
Grâce aux progrès révolutionnaires de l'électronique, la puissance de calcul de ces ordinateurs n'a cessé d'augmenter. Selon la loi de Moore, qui stipule que la capacité de la mémoire informatique double tous les 18 mois, il semblerait que cette capacité continue de croître indéfiniment. Cependant, même la loi de Moore a une limite théorique infranchissable. Actuellement, la taille d'un seul bit de mémoire est bien supérieure à celle d'un atome, mais si la loi de Moore se vérifie, d'ici 2020, il faudrait utiliser un atome entier pour créer un seul bit. Quelle que soit la validité de la loi de Moore, ce stade est inatteignable. La raison en est que les phénomènes quantiques deviennent prépondérants à l'échelle atomique, et que les phénomènes physiques classiques, qui sous-tendent la fabrication actuelle des ordinateurs, ne sont plus applicables.
Dans le monde infiniment petit de l'échelle atomique, des événements difficiles à appréhender par le bon sens se produisent fréquemment : ce sont les phénomènes quantiques. Des choses étranges se produisent, comme l'apparition soudaine de particules à un endroit après en avoir été à un autre, ou leur présence simultanée à deux endroits, voire plus. À mesure que la taille des bits de mémoire se réduit à l'échelle atomique, les ordinateurs de type von Neumann rencontrent des limitations, car ces phénomènes quantiques peuvent entraîner la disparition des données stockées ou rendre le contrôle global difficile. Par conséquent, les chercheurs s'efforcent d'accroître la capacité de stockage et concentrent leurs efforts sur la recherche de moyens d'éliminer les phénomènes quantiques.
Cependant, les ordinateurs quantiques ne sont pas nés d'un effort pour éliminer les phénomènes quantiques, mais plutôt d'une idée proactive qui renverse complètement la perspective : utiliser les phénomènes quantiques.
Les phénomènes quantiques, principe fondamental des ordinateurs quantiques, désignent des événements se produisant à l'échelle microscopique. Plus précisément, les ordinateurs quantiques exploitent la propriété selon laquelle les particules peuvent exister simultanément dans deux états, voire plus, jusqu'à leur observation. Autrement dit, les ordinateurs quantiques utilisent des « qubits » (bits quantiques) plutôt que des bits comme unité d'information. Alors qu'un bit ne peut représenter que 0 ou 1, un qubit peut se trouver dans une superposition de ces deux états, ce qui lui permet d'effectuer des calculs impliquant simultanément 0 et 1.
Chaque électron possède une direction de spin unique, et les ordinateurs quantiques utilisent généralement cette direction de spin pour superposer 0 et 1. Un électron dont le spin est orienté vers le haut représente 0, et un électron dont le spin est orienté vers le bas représente 1 ; grâce à une série de processus, les directions de spin des électrons peuvent être superposées de manière à ce qu'elles deviennent intriquées.
Pour mieux comprendre cela, prenons l'exemple suivant.
Deux chats, Chat 1 et Chat 2, sont intriqués et leurs états de vie et de mort sont superposés, de sorte que l'état de l'un influence celui de l'autre. Lorsque leurs états sont ainsi intriqués, leur état quantique est décrit par une unique fonction d'onde, qui représente la superposition de quatre états quantiques possibles : (vivant, vivant), (vivant, mort), (mort, vivant) et (mort, mort).
Si l'on devait déterminer l'état des deux chats à l'aide d'un ordinateur classique, il faudrait procéder en deux étapes : vérifier d'abord l'état du Chat 1, puis celui du Chat 2. En revanche, avec un ordinateur quantique, une fois l'état du Chat 1 déterminé, celui du Chat 2 est déterminé de manière probabiliste. Ceci s'explique par l'intrication des états des chats. Cette détermination probabiliste nous indique la probabilité d'être en vie (X %) et la probabilité d'être mort (Y %).
Étant donné la préférence actuelle pour l'information précise, l'idée d'un résultat probabiliste peut paraître rebutante. Heureusement, l'utilisation d'algorithmes quantiques permet d'atténuer cet inconvénient. On pourrait penser : « Un écart de temps d'environ deux fois la valeur initiale n'est pas significatif, n'est-ce pas ? » Or, cet écart croît exponentiellement avec le nombre de qubits. En créant un grand nombre de qubits interagissant dans un état d'intrication quantique et en modifiant l'état d'un seul qubit, les états quantiques de tous les autres qubits liés par cette intrication changent automatiquement. Ainsi, grâce à des algorithmes quantiques qui traitent ces changements d'état en fonction d'objectifs spécifiques, une quantité considérable d'informations peut être traitée simultanément. Cette capacité unique de traitement de l'information des ordinateurs quantiques, qui exploite les phénomènes de superposition et d'intrication, est appelée parallélisme quantique. Les ordinateurs quantiques peuvent réduire considérablement le temps de calcul grâce à ce type de traitement parallèle quantique.
La capacité de stockage est sans doute tout aussi importante que la vitesse de traitement d'un ordinateur. Les ordinateurs quantiques utiliseront probablement des semi-conducteurs quantiques ; cependant, leur utilisation comme dispositifs de stockage concrets pose problème, car il est difficile d'entrer et de sortir des informations des systèmes quantiques, et avec la technologie actuelle, l'information stockée dans les atomes ne persiste pas longtemps. Néanmoins, si ces difficultés sont surmontées et que les semi-conducteurs quantiques sont développés avec succès, il serait peut-être possible de stocker toutes les informations de tous les ordinateurs de Séoul dans un appareil de la taille d'un ordinateur personnel.
Pour réaliser des ordinateurs quantiques, il est nécessaire de mettre en place un système quantique approprié permettant le traitement parallèle quantique ; il s'agit sans doute du défi le plus complexe. Avec la technologie actuelle, il est impossible de maintenir les qubits – composés de particules quantiques – dans un délai suffisant, ni d'empêcher leur altération par des influences extérieures, même minimes. Actuellement, on utilise des supraconducteurs pour assurer la stabilité des qubits le plus longtemps possible. Cependant, cela fait exploser le coût de fabrication des qubits, et comme le système doit maintenir un état supraconducteur en fonctionnement, les coûts d'exploitation sont également extrêmement élevés. De plus, la nécessité d'équipements d'insonorisation et de blindage sophistiqués pour bloquer les influences extérieures sur les qubits rend l'ordinateur lui-même très volumineux.
À titre de comparaison, l'ordinateur quantique le plus avancé actuellement disponible est un ordinateur quantique à résonance magnétique nucléaire (RMN) doté d'une capacité de traitement de 7 qubits. Par exemple, cet ordinateur peut identifier les nombres premiers entre 0 et 7.
Comment l'avenir évoluera-t-il avec l'avènement des ordinateurs quantiques ? Il ne fait aucun doute que ces ordinateurs révolutionneront tous les aspects de notre civilisation, mais à ce stade précoce de leur développement, il est impossible d'en prévoir pleinement l'impact. De plus, comme ils ne sont pas conçus pour effectuer rapidement des opérations telles que l'addition, ils ne remplaceront pas complètement les ordinateurs actuels, et à ce jour, seuls deux ou trois algorithmes se sont révélés utiles.
Cependant, à mesure que les nanotechnologies progressent et que notre capacité à contrôler les états quantiques s'améliore, les technologies de fabrication des ordinateurs quantiques évolueront elles aussi, ce qui signifie que ces ordinateurs finiront par se retrouver sur nos bureaux. Comme expliqué précédemment, les ordinateurs quantiques – capables de surmonter les limitations des ordinateurs actuels dues aux phénomènes quantiques et dotés d'une puissance de calcul sans précédent – représentent l'un des défis les plus importants auxquels l'humanité est confrontée au XXIe siècle !
