La course qui change le monde pour développer l’ordinateur quantique

L’algorithme le plus célèbre de Shors propose d’utiliser des qubits pour factoriser de très grands nombres en composants plus petits. Je lui ai demandé d’expliquer comment cela fonctionnait et il a effacé les hexagones du tableau. La clé de l’affacturage, a déclaré Shor, consiste à identifier les nombres premiers, qui sont des nombres entiers divisibles uniquement par un et par eux-mêmes. (Cinq est premier. Six, qui est divisible par deux et par trois, ne l’est pas.) Il y a vingt-cinq nombres premiers entre un et cent, mais à mesure que vous comptez plus ils deviennent de plus en plus rares. Shor, dessinant une série de formules compactes au tableau, a expliqué que certaines séquences de nombres se répètent périodiquement le long de la droite numérique. Cependant, les distances entre ces répétitions croissent de façon exponentielle, ce qui les rend difficiles à calculer avec un ordinateur conventionnel.

Shor se tourna alors vers moi. OK, voici le cœur de ma découverte, dit-il. Savez-vous ce qu’est un réseau de diffraction ? J’avouai que non, et les yeux de Shors s’écarquillèrent d’inquiétude. Il a commencé à dessiner un simple croquis d’un faisceau lumineux frappant un filtre puis se diffractant dans les couleurs de l’arc-en-ciel, qu’il a illustré avec de la craie de couleur. Chaque couleur de lumière a une longueur d’onde, a déclaré Shor. Faisaient quelque chose de similaire. Cette chose est vraiment un réseau de diffraction informatique, donc triait les différentes périodes. Chaque couleur au tableau représentait un groupe différent de nombres. Un ordinateur classique, examinant ces groupements, devrait les analyser un par un. Un ordinateur quantique pourrait traiter tout l’arc-en-ciel en une seule fois.

Le défi est de réaliser le travail théorique de Shors avec du matériel physique. En 2001, des physiciens expérimentaux d’IBM ont tenté de mettre en œuvre l’algorithme en lançant des impulsions électromagnétiques sur des molécules en suspension dans un liquide. Je pense que cette machine a coûté environ un demi-million de dollars, a déclaré Shor, et il nous a informés que quinze équivaut à cinq fois trois. Les bits informatiques classiques sont relativement faciles à construire, pensez à un interrupteur d’éclairage, qui peut être allumé ou éteint. Les qubits d’informatique quantique nécessitent quelque chose comme un cadran, ou, plus précisément, plusieurs cadrans, chacun devant être réglé sur une amplitude spécifique. La mise en œuvre de contrôles aussi précis à l’échelle subatomique reste un problème diabolique.

Pourtant, en prévision du jour où les experts en sécurité appellent Y2Q, les protocoles qui protègent la messagerie texte, les e-mails, les dossiers médicaux et les transactions financières doivent être supprimés et remplacés. Plus tôt cette année, l’administration Biden a annoncé qu’elle s’orientait vers de nouvelles normes de cryptage à l’épreuve du quantum qui offrent une protection contre l’algorithme Shors. Leur mise en œuvre devrait prendre plus d’une décennie et coûter des dizaines de milliards de dollars, créant une aubaine pour les experts en cybersécurité. La différence entre ceci et l’an 2000 est que nous connaissions la date réelle à laquelle l’an 2000 se produirait, m’a dit le cryptographe Bruce Schneier.

En prévision de Y2Q, les agences d’espionnage stockent le trafic Internet crypté, dans l’espoir de le lire dans un proche avenir. Nous voyons nos adversaires faire cela en copiant nos données cryptées et en les conservant simplement, a déclaré Dustin Moody, le mathématicien en charge des normes de cryptage post-quantique américaines. C’est certainement une menace réelle. (Quand je lui ai demandé si le gouvernement américain faisait la même chose, Moody a dit qu’il ne savait pas.) Dans une décennie ou deux, la plupart des communications de cette époque seront probablement exposées. La date limite de l’administration Biden pour la mise à niveau de la cryptographie est 2035. Un ordinateur quantique capable d’exécuter une version simple de l’algorithme de Shors pourrait apparaître dès 2029.

À la base de la recherche en informatique quantique se trouve un concept scientifique connu sous le nom d’intrication quantique. L’intrication consiste à calculer ce que la fission nucléaire était aux explosifs : une étrange propriété du monde subatomique qui pourrait être exploitée pour créer une technologie d’une puissance sans précédent. Si l’enchevêtrement pouvait être mis en scène à l’échelle d’objets du quotidien, cela ressemblerait à un tour de magie. Imaginez que vous et un ami retournez deux quarts enchevêtrés, sans regarder les résultats. Le résultat des lancers de pièces ne sera déterminé que lorsque vous regarderez les pièces. Si vous inspectez votre quartier et voyez qu’il est sorti face, le quartier de votre ami sortira automatiquement pile. Si votre ami regarde et voit que son quartier montre pile, votre quartier affichera maintenant pile. Cette propriété est valable quelle que soit la distance que vous et votre ami parcourez l’un de l’autre. Si vous deviez voyager en Allemagne ou à Jupiter et regarder votre quartier, le quartier de vos amis révélerait instantanément le résultat opposé.

Si vous trouvez l’enchevêtrement déroutant, vous n’êtes pas seul : il a fallu à la communauté scientifique une bonne partie d’un siècle pour commencer à comprendre ses effets. Comme tant de concepts en physique, l’intrication a été décrite pour la première fois dans l’une des expériences de Gedanken d’Einstein. La mécanique quantique dictait que les propriétés des particules ne prenaient des valeurs fixes qu’une fois qu’elles étaient mesurées. Avant cela, une particule existait dans une superposition de plusieurs états à la fois, qui étaient décrits à l’aide de probabilités. (Une expérience de pensée célèbre, proposée par le physicien Erwin Schrdinger, imaginait un chat piégé dans une boîte avec un flacon de poison activé par quantum, le chat superposé dans un état entre la vie et la mort.) Cela a dérangé Einstein, qui a passé ses dernières années formuler des objections à la nouvelle physique de la génération qui lui avait succédé. En 1935, travaillant avec les physiciens Boris Podolsky et Nathan Rosen, il révéla un paradoxe apparent en mécanique quantique : si l’on prenait au sérieux les implications de la discipline, il devrait être possible de créer deux particules intriquées, séparées par n’importe quelle distance, qui pourraient d’une manière ou d’une autre interagissent plus vite que la vitesse de la lumière. On ne peut s’attendre à ce qu’aucune définition raisonnable de la réalité le permette, ont écrit Einstein et ses collègues. Au cours des décennies suivantes, cependant, les autres prédictions de la mécanique quantique ont été vérifiées à plusieurs reprises dans des expériences et le paradoxe d’Einstein a été ignoré. Parce que ses opinions allaient à l’encontre de la sagesse dominante de son temps, la plupart des physiciens ont considéré l’hostilité d’Einstein envers la mécanique quantique comme un signe de sénilité, a écrit l’historien des sciences Thomas Ryckman.

Les physiciens du milieu du siècle se sont concentrés sur les accélérateurs de particules et les ogives nucléaires ; l’enchevêtrement a reçu peu d’attention. Au début des années soixante, le physicien nord-irlandais John Stewart Bell, travaillant seul, a reformulé l’expérience de pensée d’Einstein en un argument mathématique de cinq pages. Il a publié ses résultats dans l’obscur journal Physique Physique Fizika en 1964. Au cours des quatre années suivantes, son article n’a pas été cité une seule fois.

En 1967, John Clauser, un étudiant diplômé de l’Université de Columbia, est tombé sur le papier de Bells en feuilletant un volume relié du journal à la bibliothèque. Clauser avait lutté avec la mécanique quantique, prenant le cours trois fois avant de recevoir une note acceptable. J’étais convaincu que la mécanique quantique devait être fausse, a-t-il dit plus tard. Le papier de Bells a fourni à Clauser un moyen de mettre ses objections à l’épreuve. Contre l’avis de ses professeurs, dont Richard Feynman, il a décidé de mener une expérience qui donnerait raison à Einstein, en prouvant que la théorie de la mécanique quantique était incomplète. En 1969, Clauser a écrit une lettre à Bell, l’informant de ses intentions. Bell a répondu avec joie; personne ne lui avait jamais écrit au sujet de son théorème auparavant.

Clauser a déménagé au Lawrence Berkeley National Laboratory, en Californie, où, travaillant avec presque aucun budget, il a créé la première paire de photons délibérément intriqués au monde. Lorsque les photons étaient à environ dix pieds l’un de l’autre, il les a mesurés. L’observation d’un attribut d’un photon produisait instantanément des résultats opposés dans l’autre. Clauser et Stuart Freedman, son co-auteur, ont publié leurs découvertes en 1972. Du point de vue de Clauser, l’expérience a été une déception : il avait définitivement prouvé qu’Einstein avait tort. Finalement, et avec beaucoup de réticence, Clauser a accepté que les règles déroutantes de la mécanique quantique étaient, en fait, valides, et ce qu’Einstein considérait comme un affront grotesque à l’intuition humaine n’était que la façon dont l’univers fonctionne. J’avoue encore aujourd’hui que je ne comprends toujours pas la mécanique quantique, a déclaré Clauser en 2002.

Mais Clauser avait également démontré que les particules intriquées étaient plus qu’une simple expérience de pensée. Ils étaient réels, et ils étaient encore plus étranges qu’Einstein ne l’avait pensé. Leur étrangeté a attiré l’attention du physicien Nick Herbert, titulaire d’un doctorat de Stanford. et passionné de LSD dont les intérêts de recherche comprenaient la télépathie mentale et la communication avec l’au-delà. Clauser a montré à Herbert son expérience, et Herbert a proposé une machine qui utiliserait l’intrication pour communiquer plus rapidement que la vitesse de la lumière, permettant à l’utilisateur d’envoyer des messages dans le temps. Le plan d’Herbert pour une machine à voyager dans le temps a finalement été jugé irréalisable, mais il a forcé les physiciens à commencer à prendre l’intrication au sérieux. L’article erroné d’Herbert a été une étincelle qui a généré d’immenses progrès, a rappelé le physicien Asher Peres, en 2003.

En fin de compte, la résolution du paradoxe d’Einstein n’était pas que les particules pouvaient signaler plus rapidement que la lumière ; au lieu de cela, une fois enchevêtrés, ils ont cessé d’être des objets distincts et ont fonctionné comme un système qui existait dans deux parties de l’univers en même temps. (Ce phénomène est appelé non-localité.) Depuis les années 80, la recherche sur l’intrication a conduit à des percées continues en physique théorique et expérimentale. En octobre, Clauser a partagé le prix Nobel de physique pour son travail. Dans un communiqué de presse, le comité Nobel a décrit l’intrication comme la propriété la plus puissante de la mécanique quantique. Bell n’a pas vécu pour voir la révolution achevée; il est mort en 1990. Aujourd’hui, son article de 1964 a été cité dix-sept mille fois.

Au laboratoire de Google à Santa Barbara, l’objectif est d’enchevêtrer plusieurs qubits à la fois. Imaginez des centaines de pièces, disposées en réseau. La manipulation de ces pièces dans des séquences chorégraphiées peut produire des effets mathématiques étonnants. Un exemple est l’algorithme de Grovers, développé par Lov Grover, collègue de Shors chez Bell Labs dans les années 90. L’algorithme de Grovers concerne la recherche non structurée, ce qui est un bel exemple pour Google, a déclaré Neven, le fondateur du laboratoire. J’aime y penser comme à un immense placard avec un million de tiroirs. Un des tiroirs contient une balle de tennis. Un humain fouillant dans le placard trouvera en moyenne la balle après avoir ouvert un demi-million de tiroirs. Aussi étonnant que cela puisse paraître, l’algorithme de Grovers pourrait le faire en seulement mille étapes, a déclaré Neven. Je pense que toute la magie de la mécanique quantique peut essentiellement être vue ici.

Neven a eu une carrière itinérante. Il s’est d’abord spécialisé en économie, mais est passé à la physique après avoir assisté à une conférence sur la théorie des cordes. Il a obtenu un doctorat. se concentrant sur les neurosciences computationnelles, et a été embauché comme professeur à l’Université de Californie du Sud. Pendant qu’il était à l’USC, son équipe de recherche a remporté un concours de reconnaissance faciale parrainé par le département américain de la Défense. Il a lancé une entreprise, Neven Vision, qui a développé la technologie utilisée dans les filtres faciaux des médias sociaux ; en 2006, il revend l’entreprise à Google, pour quarante millions de dollars. Chez Google, il a travaillé sur la recherche d’images et Google Glass, passant à l’informatique quantique après avoir entendu une histoire à ce sujet à la radio publique. Son objectif ultime, m’a-t-il dit, est d’explorer les origines de la conscience en connectant un ordinateur quantique au cerveau de quelqu’un.

Les contributions de Nevens à la technologie d’analyse faciale sont largement admirées, et si vous avez déjà fait semblant d’être un chien sur Snapchat, vous devez le remercier. (Vous pouvez également le remercier pour les applications les plus dystopiques de cette technologie.) Mais, au cours des dernières années, dans des articles de recherche publiés dans les principales revues scientifiques mondiales, lui et son équipe ont également dévoilé une série de petites merveilles particulières. : photons qui se regroupent en amas ; des particules identiques dont les propriétés changent selon l’ordre dans lequel elles sont disposées ; un état exotique de matière en perpétuelle mutation connu sous le nom de cristal temporel. Il y a littéralement une liste d’une douzaine de choses comme celle-ci, et chacune est à peu près aussi scientifique que la suivante, a déclaré Neven. Il m’a dit qu’une équipe dirigée par la physicienne Maria Spiropulu avait utilisé l’ordinateur quantique de Google pour simuler un trou de ver holographique, un raccourci conceptuel vers une réalisation spatio-temporelle qui a récemment fait la couverture de La nature.