Qu’y a-t-il de si génial dans l’informatique quantique ? Une séance de questions-réponses avec le théoricien du NIST Alexey Gorshkov

Alors que l’essor des ordinateurs quantiques fait l’objet de plus en plus d’articles de presse, en particulier ceux qui prophétisent la capacité de ces appareils à casser le cryptage qui protège les messages sécurisés, comme notre banque transfère son éclairant pour parler avec l’un des experts quantiques qui se développe actuellement les idées derrière ces machines encore non réalisées. Alors que les ordinateurs ordinaires fonctionnent avec des bits de données qui peuvent être 0 ou 1, les ordinateurs quantiques fonctionnent avec des bits appelés qubits qui peuvent être 0 et 1 simultanément, ce qui leur permet d’exécuter certaines fonctions de manière exponentielle plus rapide, comme essayer les différentes clés qui peuvent casser chiffrement.

Des ordinateurs quantiques simples existent déjà, mais il a été extrêmement difficile d’en construire des versions puissantes. C’est parce que le monde quantique est si délicat ; les plus infimes perturbations du monde extérieur, telles que des signaux électriques parasites, peuvent faire planter un ordinateur quantique avant qu’il ne puisse effectuer des calculs utiles.

Chad Boutin, spécialiste des affaires publiques du National Institute of Standards and Technology (NIST), a interviewé Alexey Gorshkov, un théoricien du NIST au NIST/University of Marylands Joint Center for Quantum Information and Computer Science (QuICS) and Joint Quantum Institute, qui travaille à l’intersection de la physique et la recherche en informatique. Ses efforts contribuent à la conception d’ordinateurs quantiques, révélant les capacités qu’ils pourraient posséder et montrant pourquoi nous devrions tous être enthousiasmés par leur création.

Nous entendons tous parler des ordinateurs quantiques et du nombre de groupes de recherche dans le monde qui tentent d’aider à les construire. Qu’est-ce que votre travail théorique a aidé à clarifier sur ce qu’ils peuvent faire et comment ?

Je travaille sur des idées de matériel informatique quantique. Les ordinateurs quantiques seront différents des ordinateurs classiques que nous connaissons tous et ils utiliseront des unités de mémoire appelées qubits. Une chose que je fais est de proposer des idées pour divers systèmes de qubits composés de différents matériaux, tels que des atomes neutres. Je parle également de la création de portes logiques et de la connexion de qubits à un gros ordinateur.

Une autre chose que mon groupe fait est de proposer des algorithmes quantiques : des logiciels que l’on peut potentiellement exécuter sur un ordinateur quantique. Nous étudions également les grands systèmes quantiques et déterminons ceux qui sont prometteurs pour effectuer des calculs utiles plus rapidement que ce qui est possible avec les ordinateurs classiques. Donc, notre travail couvre beaucoup de terrain, mais il y a beaucoup à faire. Vous avez cette grosse bête compliquée devant vous et vous essayez de la réduire avec tous les outils dont vous disposez.

Vous vous concentrez sur les systèmes quantiques. Que sont-ils?

Je commence généralement par dire qu’à de très petites échelles, le monde obéit à la mécanique quantique. Les gens connaissent les atomes et les électrons, qui sont de petits systèmes quantiques. Comparés aux gros objets que nous connaissons, ils sont particuliers car ils peuvent être dans deux états apparemment incompatibles à la fois, comme des particules se trouvant à deux endroits en même temps. La façon dont ces systèmes fonctionnent est bizarre au début, mais vous apprenez à les connaître.

Les grands systèmes, constitués d’un groupe d’atomes, sont différents des particules individuelles. Ces effets quantiques étranges que nous voulons exploiter sont difficiles à maintenir dans des systèmes plus grands. Disons que vous avez un atome qui fonctionne comme un bit de mémoire quantique. Une petite perturbation comme un champ magnétique proche a une chance de faire perdre à l’atome ses informations. Mais si vous avez 500 atomes travaillant ensemble, cette perturbation est 500 fois plus susceptible de causer un problème. C’est pourquoi la physique classique a assez bien fonctionné pendant tant d’années : parce que les effets classiques submergent si facilement les effets quantiques étranges, la physique classique nous suffit généralement pour comprendre les gros objets que nous connaissons de notre vie quotidienne.

Ce que nous faisions, c’était d’essayer de comprendre et de construire de grands systèmes quantiques qui restent quantiques, ce que les spécialistes appellent cohérents même lorsqu’ils sont grands. Nous voulons combiner beaucoup d’ingrédients, disons 300 qubits, tout en nous assurant que l’environnement ne gâche pas les effets quantiques que nous voulons exploiter. Les grands systèmes cohérents qui ne sont pas tués par l’environnement sont difficiles à créer ou même à simuler sur un ordinateur classique, mais la cohérence est aussi ce qui rendra les grands systèmes aussi puissants que les ordinateurs quantiques.

Qu’est-ce qui est convaincant dans un grand système quantique ?

L’une des premières motivations pour essayer de comprendre les grands systèmes quantiques est les applications technologiques potentielles. Jusqu’à présent, les ordinateurs quantiques n’ont rien fait d’utile, mais les gens pensent qu’ils le feront très bientôt et c’est très intéressant. Un Internet quantique serait un Internet sécurisé, et il vous permettrait également de connecter de nombreux ordinateurs quantiques pour les rendre plus puissants. Je suis fasciné par ces possibilités.

C’est aussi fascinant à cause de la physique fondamentale. Vous essayez de comprendre pourquoi ce système fait des choses amusantes. Je pense que beaucoup de scientifiques aiment faire ça.

Pourquoi êtes-vous personnellement si intéressé par la recherche quantique ?

J’y ai eu ma première exposition après ma première année à l’université. J’ai rapidement trouvé qu’il avait un excellent mélange de mathématiques, de physique, d’informatique et d’interactions avec des expérimentateurs. L’intersection de tous ces domaines est la raison pour laquelle c’est tellement amusant. J’aime voir les liens. Vous finissez par tirer une idée d’un domaine et l’appliquer à un autre et cela devient cette belle chose.

Beaucoup de gens craignent qu’un ordinateur quantique puisse casser tout notre cryptage, révélant tous nos secrets numérisés. Quelles sont les choses moins inquiétantes qu’ils pourraient faire et qui vous excitent ?

Avant d’entrer dans ce qui m’excite, permettez-moi de dire d’abord qu’il est important de se rappeler que tout notre cryptage ne se cassera pas. Certains protocoles de cryptage sont basés sur des problèmes mathématiques qui seront vulnérables à un ordinateur quantique, mais d’autres protocoles ne le sont pas. Le projet de cryptographie post-quantique du NIST travaille sur des algorithmes de chiffrement qui pourraient déjouer un ordinateur quantique.

Quant à ce qui m’excite, beaucoup le fait ! Mais voici quelques exemples.

Une chose que nous pouvons faire est la simulation. Nous pourrons peut-être simuler des choses vraiment compliquées en chimie, en science des matériaux et en physique nucléaire. Si vous avez une grande réaction chimique complexe et que vous voulez comprendre comment elle se déroule, vous devez être capable de simuler une grosse molécule qui a beaucoup d’électrons dans un nuage autour d’elle. C’est un gâchis et c’est difficile à étudier. Un ordinateur quantique peut en principe répondre à ces questions. Alors peut-être que vous pourriez l’utiliser pour trouver un nouveau médicament.

Une autre possibilité consiste à trouver de meilleures solutions à ce qu’on appelle les problèmes d’optimisation classiques, qui posent beaucoup de problèmes aux ordinateurs classiques. Par exemple, quels sont les moyens les plus efficaces de diriger les expéditions dans un réseau de chaîne d’approvisionnement complexe ? Il n’est pas clair si les ordinateurs quantiques seront en mesure de répondre à cette question mieux que les ordinateurs classiques, mais il y a de l’espoir.

Une suite à la question précédente : si les ordinateurs quantiques ne sont pas encore construits, comment savons-nous quoi que ce soit sur leurs capacités ?

Nous connaissons ou pensons connaître la théorie quantique microscopique sur laquelle reposent les qubits, donc si vous assemblez ces qubits, nous pouvons décrire leurs capacités mathématiquement, et cela nous dirait ce que les ordinateurs quantiques pourraient être capables de faire. C’est une combinaison de mathématiques, de physique et d’informatique. Vous utilisez simplement les équations et allez en ville.

Il y a des sceptiques qui disent qu’il pourrait y avoir des effets que nous ignorons encore et qui détruiraient la capacité des grands systèmes à rester cohérents. Il est peu probable que ces sceptiques aient raison, mais le moyen de les réfuter est de mener des expériences sur des systèmes quantiques de plus en plus grands.

Poursuivez-vous un objectif de recherche particulier? Des rêves que vous aimeriez réaliser un jour, et pourquoi ?

La principale motivation est un ordinateur quantique qui fait quelque chose d’utile. vivaient une époque passionnante. Mais une autre motivation est simplement de s’amuser. Quand j’étais enfant en huitième année, j’essayais de résoudre des problèmes de mathématiques pour le plaisir. Je ne pouvais tout simplement pas arrêter de travailler dessus. Et en s’amusant, on découvre des choses. Les types de problèmes que nous résolvons maintenant sont tout aussi amusants et excitants pour moi.

Enfin, pourquoi le NIST ? Pourquoi est-il si important de travailler dans un laboratoire de mesure sur cette recherche ?

Quantum est au cœur du NIST, et ses employés en sont la raison. Nous avons ici les meilleurs expérimentateurs, dont plusieurs lauréats du prix Nobel. Le NIST nous donne les ressources pour faire de la grande science. Et c’est bien de travailler pour une institution publique, où vous pouvez servir la société.

À bien des égards, l’informatique quantique est issue du NIST et de la mesure : elle est issue de la tentative de construire de meilleures horloges. Le travail de Dave Winelands avec les ions est important ici. Jun Oui, le travail avec des atomes neutres l’est aussi. Leurs travaux ont conduit au développement d’un contrôle étonnant sur les ions et les atomes neutres, ce qui est très important pour l’informatique quantique.

La mesure est au cœur de l’informatique quantique. Une question ouverte passionnante sur laquelle beaucoup de gens travaillent est de savoir comment mesurer l’avantage quantique, comme nous l’appelons. Supposons que quelqu’un dise : Voici un ordinateur quantique, mais quel est son avantage par rapport à un ordinateur classique ? Proposaient comment mesurer cela.