XIII. Les ordinateurs quantiques
Un ordinateur classique gère des bits grâce à deux modèles de portes logiques : la porte NOT qui change la valeur du bit et la porte NAND qui reçoit deux bits et retourne 0 si et seulement si les deux bits valent 1. Ces deux portes permettent de réaliser tous les calculs.
Les microprocesseurs actuels contiennent près d’un milliard de transistors nanométriques interconnectés capables de gérer des signaux électriques avec fiabilité toutes les nanosecondes. Un ordinateur quantique ressemble à un ordinateur classique avec le même genre de circuit et des portes logiques mais les bits sont remplacés par des « qbits » placés simultanément dans deux états ( cf. Chapitre 8).
Autre différence : les qbits ne sont pas indépendants mais tous intriqués, si bien qu’agir sur l’un affecte aussitôt tous les autres.
Dans cette nouvelle informatique, on peut agir simultanément sur tous les qbits à la fois. Par ailleurs, La quantité d’information stockée est monstrueusement plus grande qu’en informatique classique. En effet, quand 100 bits contiennent au maximum 100 informations ( des 1 ou des 0 ), 100 qbits peuvent décrire 2100 informations (environ mille milliards de milliards de milliards), c’est à dire plus que les informations produites par l’humanité à ce jour.
Un annuaire illisible.
Un exemple fictif qui simule le fonctionnement et l’efficacité de l’ordinateur quantique.
Un ordinateur à (presque) tout faire
Les algorithmes quantiques sont sans intérêt pour les utilisations communes mais seraient très qualifiés pour certaines tâches spécifiques comme factoriser les grands nombres en facteurs premiers. Cela a amené les mathématiciens à développer des méthodes de cryptage post- quantiques au cas où les ordinateurs quantiques deviendraient opérationnels.
Le problème du voyageur consiste à optimiser le trajet à suivre par un voyageur pour visiter un certain nombre de villes. Au delà de quinze villes, le problème devient insoluble pour un ordinateur classique, étant donné le nombre de possibilités à étudier. Ce ne serait pas le cas pour un ordinateur quantique. Les applications d’une solution concerneraient la logistique le transport mais aussi l’optimisation de circuit dans les microprocesseurs.
Richard Feynman a proposé d’utiliser l’informatique quantique pour simuler la quantique.
Un autre utilisation serait la compréhension de certains procédés de synthèse au sein de certaines bactéries.
On pourrait aussi simuler de nouveaux médicaments ou de nouveaux matériaux.
En pratique, ça se complique
Tout semble simple : il suffirait de fabriquer quelques centaines de qbits, de les intriquer et de les manipuler avec les bons algorithmes puis de mesurer. En réalité, ça se complique. Pour fabriquer les qbits, on a plusieurs possibilités pour créer la superposition : deux directions de spin, deux énergies d’un atome, deux polarisation d’un photon. IBM et Google privilégient un composant à base de supraconducteurs dans lequel un circuit électrique est placé dans deux états à la fois. Ces composants présentent des avantages en terme de fabrication et d’utilisation. Cependant le nombre associé actuellement se limite à quelques centaines de qbits et des problèmes de décohérence, de stabilité et de précision sont apparus.
Autre problème, le temps de calcul disponible est très limité car les qbits ne restent superposés et intriqués que pendant une durée très courte du fait de la décohérence ( cf. chapitre 7).
Pire, les meilleures machines font une erreur toutes les mille étapes alors que les ordinateurs classiques ne commettent une erreur qu’une fois sur un milliard de milliards. Ces bugs viennent notamment de perturbations extérieures ou de la nature probabiliste des mesures. De plus, il est difficile de détecter les erreurs car quand on veut contrôler un qbit, il cesse aussitôt d’être superposé. On essaie d’éliminer ce problème en dupliquant les qbits afin de pouvoir les vérifier mais cela est compliqué à envisager à grande échelle. Les annonces actuelles de prouesse réalisée sont en fait des preuves de concept où des physiciens et mathématiciens habiles réussissent rapidement à obtenir les mêmes résultats que sur des calculateurs classiques.
Un verdict quantique : à la fois bon et mauvais
De petits ordinateurs quantiques fonctionnent. Ils ont pu factoriser de petits nombres ou produire des nombres aléatoires.
Le nombre de qbits exploitables croît exponentiellement.
Le taux d’erreur décroît (30 % en 2003 pour 0,1 % en 2025). La programmation progresse : des mathématiciens et des physiciens apprennent la quantique pour développer des algorithmes.
Les états et les industriels investissent.
Cependant, les ordinateurs quantiques actuels ne servent à rien. Pour qu’ils deviennent utiles, il faut atteindre le million de qbits et réduire le taux d’erreur.
Pour l’académie des sciences américaine, la faisabilité d’un ordinateur quantique à grande échelle n’est pas établie. Les obstacles sont tant au niveau technologique qu’au niveau de la physique fondamentale : il faut apprendre à apprivoiser les bizarreries quantiques.