L’informatique quantique est-elle à la mode ou presque ?
Au printemps dernier, j’ai assisté à une conférence au cours de laquelle une éminente experte en informatique quantique a donné un aperçu de l’état de son domaine. Ensuite, autour d’un café, je lui ai demandé combien de temps avant nous aurions des ordinateurs quantiques fonctionnels et pratiques. Elle m’a regardé gravement et a dit : « Pas avant très longtemps. »
Sa rapidité de réponse a été remarquable au vu de ce qu’on nous dit sur les avancées dans le domaine. D’après les comptes rendus médiatiques à couper le souffle, de nombreuses personnes supposent que les machines informatiques quantiques sont à nos portes. Il s’avère que ce n’est pas du tout le cas. Ici, je souhaite expliquer pourquoi la ruée vers un milliard de dollars dans l’informatique quantique pourrait ne pas donner de résultats avant de nombreuses années.
Qu’est-ce qu’un ordinateur quantique ?
Avant de commencer, qu’est-ce qu’un ordinateur quantique et qu’est-ce qui le différencie d’un ordinateur normal comme celui sur lequel vous lisez ces lignes ? La réponse peut se résumer en un seul mot : l’état. (D’accord, techniquement, cela fait deux mots.) Les ordinateurs normaux ou « classiques » effectuent des opérations logiques en utilisant des chiffres ou des bits binaires. Mécaniquement, ce sont des éléments électroniques qui peuvent être à l’état « allumé » ou « éteint » (pensez à « 0 » ou « 1 »). En manipulant des millions de ces états binaires à grande vitesse, les ordinateurs électroniques classiques réalisent des merveilles mathématiques et logiques pour exécuter des programmes et faire des choses intéressantes comme effectuer des opérations bancaires électroniquement ou, mieux encore, jouer à des jeux vidéo. Un ordinateur quantique s’appuierait cependant sur l’étrangeté de états quantiques.
Grâce à l’étrangeté de la physique quantique, un système quantique peut se trouver simultanément dans deux états mutuellement incompatibles. Par exemple, imaginez qu’un électron soit placé dans une boîte divisée en deux sections. Classiquement, « l’état » de ce système ne peut être que l’électron occupant une section de la boîte ou l’autre. Les états de la mécanique quantique peuvent cependant être « superposés », ce qui signifie que l’électron peut se trouver dans les deux sections de la boîte. en même temps. Ce n’est que lorsqu’une mesure est effectuée sur l’électron (c’est-à-dire que quelqu’un le regarde) que l’état superposé est dit « effondré », et il est observé dans l’une ou l’autre section de la boîte. Un système tel qu’un électron et une boîte à deux sections est appelé un bit quantique ou un « qubit ».
Il y a quelques décennies, il a été démontré que si l’on pouvait enchaîner des qubits de la même manière que des bits électroniques, quelque chose d’étonnant pourrait se produire. En principe, vous pourriez exploiter la nature étrange des qubits « à deux endroits à la fois » pour effectuer certains types de calculs complexes incroyablement plus rapidement qu’un ordinateur classique. Depuis que la première application d’algorithmes quantiques visait à briser les protocoles cryptographiques sur lesquels Internet fonctionne, les gens se sont très rapidement intéressés à l’informatique quantique.
Mec, où est mon ordinateur quantique ?
Plusieurs décennies se sont écoulées plus tard, alors pourquoi n’avons-nous pas des ordinateurs quantiques dans nos poches pour remplacer nos téléphones portables ? La réponse réside dans ces états quantiques superposés. Il s’avère que les qubits sont très délicats.
Si les atomes peuvent être dans des états superposés, pourquoi pas vous ? Pourquoi les objets macroscopiques comme votre corps ne peuvent-ils pas se trouver à deux endroits à la fois, comme être dans la cuisine et dans la chambre en même temps ? La réponse est que les superpositions sont facilement brisées. Même un léger chatouillement avec une autre particule qui passe suffit à faire s’effondrer un état électronique superposé. Les scientifiques appellent cela décohérence. Votre corps ne peut pas exister dans un état superposé car tous ses atomes interagissent constamment avec tous les atomes du monde environnant. Toute tentative visant à amener vos millions d’atomes dans un état superposé cohérent serait instantanément contrecarrée par une seule collision avec une particule d’air.
La décohérence est ce qui tue l’informatique quantique. Pour effectuer les types de calculs qui seraient importants pour les applications du monde réel, vous auriez besoin de nombreux qubits maintenus dans leurs états parfaitement superposés, même s’ils sont couplés entre eux et interagissent avec d’autres parties de l’ordinateur. Cela s’avère vraiment très difficile.
Initialement, on espérait qu’il serait possible de rassembler des centaines, voire des milliers de qubits, puis d’utiliser ce que l’on appelle des techniques quantiques bruitées à échelle intermédiaire (NISQ). Il s’agit d’une sorte de méthode de correction d’erreur quantique qui a permis à la plupart des qubits de s’effondrer, mais d’une manière qui a préservé l’intégrité de la poignée avec laquelle vous souhaitez calculer. Bien que des progrès vraiment intéressants aient été réalisés avec NISQ, nous ne sommes tout simplement pas près du point où une machine utile dans le monde réel peut être construite.
Au-delà du NISQ, il existe d’autres alternatives intéressantes. Une méthode consiste à créer un type différent de qubit à partir de ce que l’on appelle les états topologiques, qui sont des collections de particules plus fondamentales dans des arrangements spéciaux. C’est une physique très intéressante, mais personne ne peut deviner si elle se déroulera de la manière dont nous avons besoin pour que l’informatique quantique tienne ses promesses.
Personnellement, je souhaite que cette promesse se réalise. Il y a vraiment des possibilités remarquables cachées dans ces qubits quantiques superposés. Mais il se peut également que la nature ne nous permette tout simplement pas d’y accéder de la manière dont nous en avons besoin dans un avenir proche.