Des chercheurs finlandais ont trouvé un moyen de rendre encore plus puissants les ordinateurs quantiques, une technologie qui devrait révolutionner l’informatique dans les années à venir. Et tout ce qu’ils ont eu à faire, c’est de jeter le bon sens par la fenêtre.
Vous lisez très certainement cet article sur un ordinateur classique (téléphones, ordinateurs portables et tablettes), ce qui signifie que votre ordinateur ne peut faire qu’une seule chose à la fois. Il lit un bit, puis le suivant, puis le suivant, et ainsi de suite. La lecture est rapide comme l’éclair et combine des millions, des milliards ou des trillions de bits pour vous donner ce que vous voulez, mais les bits sont toujours lus et utilisés dans l’ordre.
Ainsi, si votre ordinateur cherche la solution d’un problème, il essaie une réponse (un lot particulier de uns et de zéros), vérifie la distance entre le résultat et l’objectif, essaie une autre réponse (un lot différent) et recommence. Pour les problèmes complexes, ce processus peut prendre un temps incroyablement long. Parfois, c’est une bonne chose. Une multiplication très intelligente sécurise votre compte en banque, et des résolveurs d’équations plus rapides ou plus efficaces mettent cela en péril.
Mais il y a d’autres moments – comme lorsque les biochimistes veulent essayer 1 000 composés sur une cellule particulière – où il serait agréable de donner à un ordinateur toutes les options en même temps et qu’il retourne rapidement celles qui ont les meilleures chances de succès.
C’est là que les ordinateurs quantiques entrent en jeu. Au lieu d’essayer séquentiellement des ensembles individuels de uns et de zéros, ils peuvent essayer tous les ensembles – toutes les solutions au problème – en même temps. Pour ce faire, ils tirent parti de l’intrication, c’est-à-dire du fait que des paires ou des groupes d’atomes (ou de photons) sont liés entre eux d’une manière particulière qui les fait agir comme un système unique effectuant une seule action. Les paires d’atomes constituent des qubits, qui sont les analogues quantiques des bits.
Au cours d’un calcul, tant que les atomes restent intriqués, les qubits utilisent simultanément toutes les combinaisons possibles de uns et de zéros qu’un nombre équivalent de bits pourrait contenir. Ils explorent toutes ces possibilités et choisissent la meilleure. Ensuite, l’énergie (ou le spin, ou ce que vous voulez, mais restons-en à l’énergie) de chaque qubit est mesurée.
Les atomes ont des énergies discrètes, de sorte qu’un qubit dont l’énergie mesurée est faible est appelé 0, et un qubit d’un niveau supérieur est appelé 1. La mesure détruit l’intrication, mais elle révèle la solution.
Mais pourquoi s’arrêter à 0 et 1 ? Si les atomes pouvaient chacun rechercher d’autres valeurs, l’ordinateur pourrait tester plus d’options à la fois. Les scientifiques ont donc commencé à s’intéresser aux qutrits, où il y a trois options : 0, 1 et 2, soit une énergie faible, une énergie moyenne et une énergie élevée. Les qutrits sont difficiles à mettre en place, mais un arrangement stable permettrait d’obtenir un ordinateur très puissant.
C’est là qu’interviennent les chercheurs dirigés par Sorin Paraoanu, de l’université Aalto, en Finlande. Publiant dans Nature Communications, l’équipe décrit comment elle a créé des qutrits en envoyant deux impulsions de lumière à un groupe d’atomes intriqués. Une impulsion les a fait passer de l’énergie la plus basse (0) à une énergie supérieure (1), et une autre impulsion les a fait passer à une énergie supérieure (2). Les impulsions ont permis aux atomes d’accéder aux trois énergies, ce qui en fait des quintuplés.
Si les atomes restaient trop longtemps à l’énergie centrale, ils avaient de fortes chances de se démêler. Cela aurait mis fin à l’expérience immédiatement. L’équipe de Paraoanu a donc fait quelque chose d’étrange : elle a envoyé les impulsions dans le mauvais ordre. Ils ont d’abord envoyé l’impulsion pour faire passer les atomes de 1 à 2, puis celle pour les faire passer de 0 à 1. C’est comme si vous sortiez d’une place de parking en reculant d’abord.
Évidemment, vous ne feriez pas ça car vous comprenez la causalité. Vous savez que vous devez reculer avant d’avoir la place d’avancer.
Les atomes s’en moquent. Lorsque la première impulsion les a frappés, ils ont commencé à rechercher toutes les énergies possibles, puis ils ont choisi la meilleure voie après la deuxième impulsion – même s’ils ne pouvaient pas savoir que la deuxième était en route lorsque la première est arrivée. Ils n’ont pas eu à rester à 1 pendant un certain temps et sont passés directement à 2, où ils étaient beaucoup plus stables. Une fois qu’ils étaient à 2, les calculs pouvaient commencer.
Cela semble impossible, mais c’est juste la mécanique quantique. Apportez l’avenir de l’informatique.