Bienvenue à l'ère quantique
Dans un article de 2012, John Preskill, un physicien théoricien, posait la question suivante : « L'évolution des systèmes quantiques à grande échelle est-elle simplement très, très difficile, ou est-ce ridiculement difficile ? Sept ans plus tard, nous avons la réponse : c'est très, très difficile.
Récemment, un document de recherche sur le sujet est apparu en ligne pendant très peu de temps et fortuitement. "Nature", une revue scientifique de haut niveau, avait accepté de publier l'article qui, cependant, au moment de la publication temporaire, était encore confidentiel.
L'article a révélé que Google avait atteint ce que Preskill appelait la "suprématie quantique". À l'aide d'un ordinateur quantique, les chercheurs du géant de l'Internet ont effectué un calcul en trois minutes qui aurait nécessité à Summit, l'actuel supercalculateur IBM le plus puissant au monde, 10.000 XNUMX ans de traitement.
Une expression définitive de la suprématie quantique. Il existe un consensus sur le fait que ce document confidentiel représente véritablement une étape importante dans l'histoire de la technologie.
Il pourrait s'agir d'une ligne de partage entre deux époques : un « avant », lorsque les ordinateurs quantiques étaient utilisés pour surpasser ceux au silicium, et un « après », lorsque cela s'est réellement produit. On a beaucoup parlé jusqu'ici de la seconde ère. Maintenant c'est arrivé
Un sacré bond en avant
L'expérience de Google a consisté à réaliser le "circuit sampling". le test vérifie si le traitement effectué par la machine, à partir d'entrées aléatoires, peut s'adapter à un modèle spécifique.
Cette tâche plutôt bizarre a été choisie pour s'adapter aux spécificités d'un ordinateur quantique, mais aussi pour comparer le même traitement sur un ordinateur classique.
Une expérience peu pertinente sur le plan pratique, même s'il existe une croyance répandue selon laquelle les ordinateurs quantiques, avec le temps, pourraient être capables de gérer des questions d'importance pratique et plus normales pour la vie des gens ordinaires.
Celles-ci pourraient concerner la conception de nouveaux médicaments et matériaux ou l'apprentissage automatique. De plus, ils pourraient rendre obsolètes les codes cryptographiques qui, aujourd'hui, protègent les secrets du monde.
Des bits aux qubits
Les ordinateurs quantiques utilisent trois concepts. L'une est la "superposition quantique", c'est-à-dire l'idée derrière le célèbre chat mort et vivant de Schrödinger. Contrairement aux bits classiques, qui ne peuvent avoir que deux états - un ou zéro - les qubits peuvent être une combinaison des deux.
La machine de Google, par exemple, compte 53 qubits, qui, à eux deux, peuvent représenter près de dix millions d'états possibles qui se chevauchent.
Le second est "l'enchevêtrement". Il lie les particules quantiques à travers le temps et l'espace. Dans les ordinateurs standard, chaque bit est strictement lié à l'état du suivant.
Les qubits en informatique quantique sont étroitement liés. Les opérations mathématiques sur les qubits superposés et intriqués peuvent agir simultanément, dans une plus ou moins grande mesure, sur tous les qubits en un seul processus de calcul.
Comment fonctionne un ordinateur quantique
Un calcul quantique commence par approcher les qubits un par un. Pour simplifier au maximum, on peut dire qu'il fait d'un qubit un un ou un zéro, puis le coupe avec son voisin. Une fois cela fait, il laisse les règles de la physique quantique fonctionner avec les états et les liens des qubits évoluant dans le temps.
Enfin (mais pas avant, car cela bousillerait le calcul), les qubits sont examinés simultanément pour une réponse.
Le travail principal est d'identifier la bonne réponse parmi un milliard de réponses incorrectes. C'est là que la troisième idée, la contre-intuitive, entre en jeu.
En physique classique, les probabilités doivent être exprimées en nombres positifs. Disons qu'il y a 30% de chance de pluie. La mécanique quantique utilise un concept connexe appelé "amplitudes". Celles-ci peuvent être à la fois négatives et positives.
Il faut faire en sorte que les amplitudes représentant les mauvaises réponses s'annulent, tandis que celles représentant les bonnes émergent. De cette manière, les développeurs peuvent approcher avec une approximation acceptable de la solution correcte.
En laboratoire c'est plus complexe
C'est l'explication trouvée dans les manuels. Au laboratoire, les choses se compliquent. Les superpositions quantiques et les corrélations quantiques sont des phénomènes extrêmement délicats.
Par exemple, le mouvement ondulatoire de molécules adjacentes peut les interrompre et rendre un calcul difficile.
La plupart des projets développés sur des ordinateurs quantiques nécessitent que les machines soient maintenues à des températures inférieures à celles de l'espace extra-atmosphérique et qu'elles soient logées dans des salles spéciales.
Il faut également beaucoup de personnel spécialisé pour suivre les processus de traitement.
Le problème de détection d'erreur
Cependant, ni l'extrême compétence des scientifiques ni les conditions idéales du laboratoire ne peuvent empêcher les erreurs de se produire.
Le plus gros problème auquel sont confrontés les scientifiques quantiques est de trouver et de corriger les erreurs de calcul. Comme nous l'avons dit, le développement d'applications pratiques avec l'informatique quantique nécessite beaucoup, beaucoup plus de traitement que les appareils traditionnels. A cette échelle, le risque d'erreurs augmente fortement.
Cet état de fait a poussé les grandes entreprises de l'industrie informatique, comme IBM, Intel et Microsoft, et les esprits les plus brillants, comme Chad Rigetti, à construire des kits de développement toujours meilleurs et moins défectueux.
Algorithmes efficaces
Parallèlement à cette course pour construire de meilleures machines, il y a la course pour développer des algorithmes quantiques efficaces. Le cas le plus connu à ce jour est probablement l'algorithme de factorisation imaginé par Peter Shor en 1994 aux Bell Labs.
Shor a développé un algorithme mathématique avec un turbocompresseur quantique qui permet une factorisation rapide des nombres entiers en leurs composants premiers.
De quoi effrayer les cryptographes, un groupe de scientifiques dont la valeur est appréciée par rapport à la difficulté de réaliser ce que fait l'algorithme de Shor.
Mais si les ordinateurs quantiques doivent vraiment réussir, de nouveaux algorithmes sont nécessaires. Le développement de tels algorithmes sera facilité par le fait que de nombreuses applications pratiques (conception de médicaments, de matériaux, etc.) dépendent elles-mêmes de processus quantiques.
C'est en fait aussi la raison pour laquelle il a été difficile de développer ce type d'applications jusqu'à présent.
Peu d'appareils ?
Malgré les promesses de l'informatique quantique, de nombreux chercheurs dans le domaine sont mal à l'aise avec l'expression "suprématie quantique". Je suis mal à l'aise car l'avènement de la suprématie quantique implique un point de basculement qui, une fois franchi, envoie des décennies d'informatique appliquée au grenier au nom de quelque chose d'étrange et d'étonnant.
Et, malgré "l'avant" et "l'après" que détermine le document de Google, construire des dispositifs quantiques efficaces pour avoir des applications pratiques ne sera pas un chemin facile.
la plupart des gens pensent que c'est un pari de prédire que l'informatique quantique remplacera l'informatique classique. Les aspects pratiques liés au fonctionnement des ordinateurs quantiques à très basse température en sont un exemple.
Les gouvernements, les grandes entreprises et les universités les plus riches auront sans aucun doute leurs propres voitures. D'autres loueront du temps sur des appareils connectés à des versions quantiques du cloud. Dans tous les cas, le nombre total d'ordinateurs quantiques sera limité.
Et c'est bien que ce soit le cas. En tout cas, nous pouvons avoir un certain scepticisme quant à cette prédiction, en revenant aux débuts de l'informatique classique qui était une chose pour les élus. En 1943, Thomas Watson, alors directeur d'IBM, déclara : « Je pense qu'il pourrait y avoir un marché mondial pour, peut-être, cinq ordinateurs. Prédiction incorrecte d'un facteur, peut-être un milliard de facteurs.
Extrait de The Economist du 26 septembre 2019
