L’informatique quantique arrive à grands pas, voici tout ce que vous devez savoir

Début juillet, Google a annoncé qu’il allait étendre ses services d’informatique en nuage disponibles dans le commerce pour y inclure l’informatique quantique. Un service similaire est proposé par IBM depuis mai. Ce ne sont pas des services que la plupart des gens ordinaires auront beaucoup de raisons d’utiliser pour le moment.

Mais le fait de rendre les ordinateurs quantiques plus accessibles aidera les groupes de recherche gouvernementaux, universitaires et commerciaux du monde entier à poursuivre leur étude des capacités de l’informatique quantique.

Pour comprendre le fonctionnement de ces systèmes, il faut explorer un domaine de la physique différent de celui que la plupart des gens connaissent.

Dans la vie de tous les jours, nous connaissons ce que les physiciens appellent la “mécanique classique”, qui régit la plupart du monde que nous pouvons voir de nos propres yeux, comme ce qui se passe lorsqu’une voiture heurte un bâtiment, la trajectoire d’une balle lorsqu’elle est lancée et la raison pour laquelle il est difficile de faire glisser une glacière sur une plage de sable.

La mécanique quantique, en revanche, décrit le domaine subatomique – le comportement des protons, des électrons et des photons. Les lois de la mécanique quantique sont très différentes de celles de la mécanique classique et peuvent conduire à des résultats inattendus et contre-intuitifs, comme l’idée qu’un objet puisse avoir une masse négative.

Les physiciens du monde entier – dans des groupes de recherche gouvernementaux, universitaires et d’entreprises – continuent d’explorer les déploiements dans le monde réel de technologies basées sur la mécanique quantique. Et les informaticiens, dont je fais partie, cherchent à comprendre comment ces technologies peuvent être utilisées pour faire progresser l’informatique et la cryptographie.

Une brève introduction à la physique quantique

Dans notre vie quotidienne, nous sommes habitués à ce que les choses existent dans un état bien défini : Une ampoule électrique est soit allumée, soit éteinte, par exemple.

Mais dans le monde quantique, les objets peuvent exister dans ce que l’on appelle une superposition d’états : Une hypothétique ampoule au niveau atomique peut être simultanément allumée et éteinte. Cette caractéristique étrange a des ramifications importantes pour l’informatique.

La plus petite unité d’information de la mécanique classique – et donc des ordinateurs classiques – est le bit, qui peut prendre la valeur 0 ou 1, mais jamais les deux en même temps. Par conséquent, chaque bit ne peut contenir qu’un seul élément d’information.

Ces bits, qui peuvent être représentés par des impulsions électriques, des changements dans les champs magnétiques ou même un interrupteur physique, constituent la base de tous les calculs, du stockage et de la communication dans les ordinateurs et les réseaux d’information actuels.

Les Qubits – bits quantiques – sont l’équivalent quantique des bits classiques.

Une différence fondamentale réside dans le fait que, grâce à la superposition, les qubits peuvent prendre simultanément les valeurs 0 et 1. Les réalisations physiques des qubits doivent par nature se situer à l’échelle atomique : par exemple, dans le spin d’un électron ou la polarisation d’un photon.

Calculer avec des qubits

Une autre différence est que les bits classiques peuvent être manipulés indépendamment les uns des autres : Le fait d’inverser un bit à un endroit n’a aucun effet sur les bits situés à d’autres endroits. Les qubits, en revanche, peuvent être configurés à l’aide d’une propriété de la mécanique quantique appelée intrication, de sorte qu’ils dépendent les uns des autres, même lorsqu’ils sont éloignés les uns des autres.

Cela signifie que les opérations effectuées sur un qubit par un ordinateur quantique peuvent affecter simultanément plusieurs autres qubits. Cette propriété, qui s’apparente au traitement parallèle, mais n’est pas la même, peut rendre le calcul quantique beaucoup plus rapide que dans les systèmes classiques.

Les ordinateurs quantiques à grande échelle – c’est-à-dire les ordinateurs quantiques comportant des centaines de qubits – n’existent pas encore et sont difficiles à construire car ils nécessitent des opérations et des mesures à l’échelle atomique.

L’ordinateur quantique d’IBM, par exemple, compte actuellement 16 qubits, et Google promet un ordinateur quantique de 49 qubits – ce qui constituerait une avancée stupéfiante – d’ici la fin de l’année.

(En revanche, les ordinateurs portables disposent actuellement de plusieurs gigaoctets de mémoire vive, un gigaoctet correspondant à huit milliards de bits classiques)

Un outil puissant

Malgré la difficulté de construire des ordinateurs quantiques fonctionnels, les théoriciens continuent à explorer leur potentiel. En 1994, Peter Shor a montré que les ordinateurs quantiques pouvaient résoudre rapidement les problèmes mathématiques complexes qui sous-tendent tous les systèmes de cryptographie à clé publique couramment utilisés, comme ceux qui assurent la sécurité des connexions des navigateurs web.

Un ordinateur quantique à grande échelle compromettrait complètement la sécurité de l’internet tel que nous le connaissons. Les cryptographes étudient activement de nouvelles approches de la cryptographie à clé publique qui seraient “résistantes aux quanta”, du moins dans l’état actuel de leurs connaissances.

la distribution de clés quantiques permet à deux parties de partager un secret qu’aucun espion ne peut récupérer en utilisant des ordinateurs classiques ou quantiques.

Ces systèmes – et d’autres basés sur des ordinateurs quantiques – pourraient devenir utiles à l’avenir, que ce soit à grande échelle ou dans des applications plus spécialisées. Mais l’un des principaux défis consiste à les faire fonctionner dans le monde réel, et sur de grandes distances.