Informatique quantique : où en est-on ?

20 avril 2019 à 14h23
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IBM Q ordinateur quantique
© IBM Research

L'informatique quantique promet de révolutionner les usages dans les prochaines années, en augmentant sensiblement la puissance de calcul des machines. Comment fonctionne cette technologie ? Où en est-on de son développement ? Combien de temps faut-il encore attendre avant d'en bénéficier ? Le CNRS propose un rappel sur l'histoire et les évolutions de ce domaine en plein essor.

À l'origine, l'informatique quantique était un concept imaginé par le physicien Richard Feynman, prix Nobel de physique en 1965. L'idée était de transposer les propriétés de la mécanique quantique au domaine de l'informatique. Un rêve qui pourrait se concrétiser prochainement avec la naissance de véritables ordinateurs quantiques.

L'informatique quantique, c'est quoi ? Comment ça marche ?

Si l'informatique traditionnelle s'appuie sur les bits, l'informatique quantique repose sur les bits... quantiques, ou qubits. A la différence de son collègue binaire, le qubit n'est pas cantonné aux seuls 0 et 1, puisqu'il est capable de prendre ces deux valeurs à un même instant. C'est ce qu'on appelle le principe de superposition des états.

Mais ce n'est pas la seule particularité de ces drôles d'éléments. Car deux qubits peuvent également interagir, leurs états s'entremêlant et devenant interdépendants. On parle alors d'intrication.

Ces caractéristiques ne sont pas sans conséquence quant à la puissance de calcul d'une machine. En effet, contrairement à un ordinateur traditionnel qui doit procéder étape par étape, un ordinateur quantique peut accéder à une multitude de résultats d'un seul coup.

Pour avoir un aperçu des possibilités, prenons l'exemple de la décomposition d'un nombre en un produit de nombres premiers (utilisée notamment dans le chiffrement de données). Là où l'opération peut nécessiter des centaines d'années à une machine classique pour un nombre élevé, tandis qu'un ordinateur quantique pourrait n'y passer que quelques minutes.

Quantum Computing Iron Taping
National Institute of Standards and Technology

Comment produire des qubits ?

Pour bénéficier des fabuleux atouts de l'informatique quantique, il faut donc disposer de qubits, et en grand nombre. Le problème, comme évoqué précédemment, c'est qu'à l'origine, il ne s'agissait que d'une théorie. Par conséquent, des chercheurs du monde entier ont multiplié les expériences pour trouver des candidats crédibles.

Après de nombreux essais plus ou moins fructueux, deux systèmes semblent aujourd'hui se détacher. Le premier est constitué d'ions piégés, c'est-à-dire d'atomes privés d'un ou plusieurs électrons et « emprisonnés » sous vide grâce à des lasers. Ce dispositif affiche les meilleures performances quantiques obtenues jusqu'à présent. Mais il n'est pas sans inconvénient : les ions piégés sont lents à manipuler et les techniques employées sont difficiles à reproduire à grande échelle.

Autre solution : les circuits supraconducteurs, capables de conduire l'électricité sans résistance. Leur comportement se rapprochant d'atomes artificiels, des scientifiques ont réussi à manipuler leur état quantique. Et si leurs résultats sont moins bons que ceux des ions piégés, les circuits supraconducteurs présentent l'avantage d'être relativement faciles à fabriquer. Ce qui pousse certains acteurs majeurs, tels qu'IBM ou Google, à privilégier cette approche.

Néanmoins, une troisième solution a vu récemment le jour. Elle consiste à exploiter, dans une matrice de silicium, des « spins » d'électrons, c'est-à-dire les rotations des éléments sur eux-mêmes. Une technologie encore balbutiante, mais porteuse d'espoir pour de nombreux spécialistes.

Chip designed to operate as a 128-qubit superconducting adiabatic quantum optimization processor
Prototype de puce dédiée à l'informatique quantique / Crédits : D-Wave Systems, Inc.

Décohérence : le grain de sable dans la mécanique quantique

Il est pour l'heure impossible de prédire quelle approche tirera son épingle du jeu. Et chacune fait face à un problème inhérent à l'informatique quantique : la décohérence.

Car un des problèmes du qubit réside dans sa « fragilité ». À cause de son environnement (température, champ magnétique...), un élément quantique a souvent tendance à perdre une partie de ses propriétés. C'est ce phénomène qu'on appelle « décohérence ». La durée de conservation des propriétés quantiques, quant à elle, porte le nom de « temps de cohérence ».

Et pour faire fonctionner un ordinateur quantique, il ne faut pas que cette durée soit inférieure au temps de calcul nécessaire. Il s'agit donc d'un enjeu majeur pour les industriels, qui doivent investir dans du matériel permettant de limiter la décohérence. Mais ces composants sont généralement très coûteux...

En parallèle, des chercheurs travaillent à la correction d'erreurs provoquées par ce phénomène. Leur idée : un algorithme capable de rectifier ces écarts plus rapidement qu'ils ne se forment. Mais cette théorie entraînerait un accroissement du nombre de qubits nécessaires.

NIST Demonstrates Sustained Quantum Processing in Step Toward Building Quantum Computers
NIST Demonstrates Sustained Quantum Processing in Step Toward Building Quantum Computers / Crédits : National Institute of Standards and Technology

Concrètement, où en est-on aujourd'hui ?

Aujourd'hui, le record du nombre de qubits intriqués s'établit à 20. De son côté, Google a annoncé, en 2018, avoir produit un processeur quantique composé de 72 qubits. Mais on ne sait pas combien d'entre eux ont véritablement passé le révélateur de l'intrication.

Et à titre de comparaison, on estime généralement que, dans l'idéal, un ordinateur quantique devrait renfermer quelques milliers de qubits. On est donc encore loin du compte...

Par conséquent, la tendance actuelle consiste à revoir les prétentions à la baisse. En attendant de pouvoir disposer de machines parfaites, l'idée serait de produire des dispositifs intermédiaires possédant moins de qubits, afin de prouver la supériorité du calcul quantique sur l'informatique classique.

Ainsi, d'après des experts, des microcalculateurs quantiques dotés de 50 à 100 qubits pourraient voir le jour d'ici environ cinq ans.

Les futures applications de l'informatique quantique

Bien entendu, ces premières machines ne seront pas prioritairement destinées au grand public.

L'informatique quantique pourrait servir à réaliser des simulations complexes dans le but, par exemple, de mettre au point de nouveaux matériaux ou de nouvelles molécules aux propriétés inédites.

Les nouvelles machines pourraient également être utiles dans des missions d'optimisation utiles pour le trafic routier, le transport de l'énergie ou les prédictions financières.

Enfin, les ordinateurs quantiques pourraient apporter des améliorations dans le domaine de l'intelligence artificielle, en particulier du machine learning. L'apprentissage automatique, via le traitement statistique d'énormes quantités de données gagnerait en effet à voir sa rapidité d'analyse démultipliée. Cela pourrait avoir de multiples applications, dont le perfectionnement des moteurs de recherche. C'est d'ailleurs l'une des raisons pour lesquelles Google s'intéresse autant à ce domaine...

Source : Le Journal CNRS
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achille_Tapoum
Tres bon article , j’ai rien compris mais tres bon article
Vanilla
Pour citer Coluche: « les technocrates, c’est des gens quand tu leur poses une question, quand ils ont fini de te répondre, tu ne comprends plus la question que tu leur a posée. »
cunlhaontz
Faut pas se leurrer.<br /> Une fois la technologie au point avec un nombre de qubits suffisants, la 1ère application sera le décryptage et le principal client la NSA.
Themineraria
Tout à fait d’accord avec cette article et l’avis de @cunlhaontz. Nous ne connaissons malheureusement rien de l’avancé réel dans ces domaines, il ne nous parviens que ce que les GAFAMXYZ et tutti quanti souhaite nous communiquer. La seul certitude est que dès que cette technologie sera au point (si ce n’est pas déjà le cas), ceux qui la possèderons se garderons bien d’en parler, imaginez seulement le fait de pouvoir casser RSA 2048, SHA2, chacha… c’est de la folie. Ca fait un peu théorie du complot mais Snowden vous dirait combien vous avez tord de penser que l’impensable est irréalisable (ou en l’occurrence ici, irréalisé). Bref, vivement que la cryptographie quantique devienne le nouveau standard et en attendant, tous à vos clés PGP 4096.
TooFatBoy
Il y a quelques années on disait qu’elle l’avait déjà.
jason56
Ils en parlent bien dans le roman Chahar, au-delà des étoiles
cirdan
C’est un domaine passionnant mais complexe. L’informatique quantique pourrait, notamment, rendre obsolète le chiffrement RSA, mais il y a encore beaucoup de problèmes à résoudre pour rendre ces machines faciles d’accès.<br /> Un site à connaitre si le sujet vous intéresse:<br /> Institut Pandore – 28 Dec 16<br /> L'ordinateur quantique : tout comprendre en partant de zéro<br /> On entend souvent parler de l'ordinateur quantique sans comprendre de quoi il s'agit. Découvrez comment il fonctionne et à quoi il sert en partant de zéro.<br />
philumax
C’est pas le chiffrement, qui passera en premier, c’est la finance !<br /> C’est évident !
verite_verite
je souhaite que cela reeusisSe un jour,? MAIS JE NE CROIES QU L ON PUISSE SE PASSE DU 0 ET DU 1 ?
Vanilla
Sauf erreur, vous faites une erreur…<br /> La NSA se traduit en Agence de sécurité nationale
Guillaume1972
Oui, à condition que ce ne soit pas déjà le cas et nous est caché. Nous ne savons pas tout ce qui est produit dans les laboratoires de recherche.
Guillaume1972
Entièrement d’accord avec toi.
Guillaume1972
Oui oui Google a même fait l’acquisition pour 15 millions de dollars en 2013. Pour information cet ordinateur quantique construite par la société canadienne D-wave et est censée avoir 2048 qubits.
Giani
Il n’y a que Google qui avance sur le quantique ? A moins que ce soit un publipostage…
CypElf
Article intéressant, je tiens juste à corriger un point : le spin d’un électron ne consiste pas en une rotation sur lui même, il s’agit seulement d’une représentation simplifiée, car la véritable forme de ce dernier est très, très compliquée à s’imaginer intuitivement. J’ai vu quelque part un jour quelqu’un expliquer que si l’électron faisait réellement une rotation sur lui même, il dépasserait la vitesse de la lumière, ce qui est impossible (faudrait que je vérifie ça quand même).<br /> Sinon, merci pour cet article. ^^
ricco
pareil
rexxie
Il y a beaucoup de choses jadis réputées impossibles qui ont été accomplies.
CypElf
La vitesse de la lumière est une constante fondamentale, qui équivaut à la vitesse dans l’espace temps d’un objet. Il est strictement impossible de se déplacer plus que celle ci, car c’est le maximum atteignable, si tout est concentré dans la vitesse et que le temps propre devient nul. Je vous conseille la vidéo de ScienceSclic, sur Youtube, “Plus vite que la lumière ?”, elle explique très bien, de façon intuitive et en vulgarisant bien. ^^
CypElf
La relativité générale a déjà largement prouvé sa véracité, et nous apprend pourtant bien qu’un objet ne peut pas se déplacer plus rapidement sur la vitesse de la lumière ^^ l’expansion de l’univers ne constitue pas le mouvement d’un corps en soi mais l’expansion de l’espace temps lui même, il ne s’agit donc pas d’un corps respectant ces règles ;<br /> Les trous de vers, bien sue théoriquement possible, sont encore à prendre avec des pincettes et si on traverserait un, comme dit dans l’article, on ne dépasserait en aucun cas la vitesse de la lumière mais on prendrait simplement un “chemin plus court” ;<br /> Pour la physique quantique, je suis d’accord cependant qu’il faudrait éclaircir un peu cette histoire, car aujourd’hui on arrive toujours pas à associer la relativité générale avec la physique quantique.<br /> Avec nos connaissances et observations de l’univers, et cette théorie de la relativité générale qui a déjà montré qu’elle était très au point, il est facile de comprendre qu’on ne peut pas aller plus vite que la lumière, c’est strictement impossible, et je ne comprends toujours pas vraiment pourquoi tu en doutes. Va voir cette vidéo que j’ai conseillé plus haut pour plus de détails sur la raison de cette impossibilité.
rexxie
Je n’en “doute” pas, je te dis que je n’y crois pas.<br /> Que ce soit par transfert quantitique, par repli de l’espace-temps ou autre , on va finir par trouver moyen d’aller plus vite que la lumière, aussi certain que la lumière est une onde… euh… une particule? … euh … les deux? … ni une ni l’autre? … bien plus encore? … toutes ces réponses? …<br /> Presque toutes les lois de la physiques antiques ont été révisées. Elles étaient toutes prouvées, indéniables et vraies… jusqu’à ce qu’on trouve et démontre une autre théorie…<br /> Sommes-nous aussi arrogants de croire que nous avons atteint le summum de la connaissance et que nous savons tout ce qu’il y a à savoir?!? L’Histoire devrait nous apprendre un peu plus d’humilité.<br /> Le dogmatisme étroit est l’ennemi de la recherche, de la découverte et de l’avancement de la science.
CypElf
Je ne dis pas que nous savons tout, loin de là. Je parlais même justement du fait qu’aujourd’hui, on arrive pas à associer relativité générale et physique quantique.<br /> Btw, la lumière peut être considérée à la fois comme une onde et une particule.<br /> Si tu crois qu’on peut dépasser la vitesse de la lumière, pense comme tu veux, mais il n’y a absolument rien dans l’univers que nous connaissons actuellement qui ne dépasse cette vitesse. Comment pourrions nous faire une théorie où la vitesse de la lumière est dépassée alors que nous ne connaissons rien qui puisse respecter cette loi ?<br /> Au passage, il y a peu, tu dois être au courant que nous avons enfin eu une vraie image d’un trou noir (bien que les ondes électromagnétiques récupérées ont été modifiées en lumière visible pour qu’on se le représente), et l’observation qu’on a pu faire valide complètement la relativité générale, une fois de plus.
CypElf
Je jetterai un œil. Merci pour cet échange, ce fut intéressant de voir ton point de vue
cirdan
La vitesse de la lumière peut être dépassée dans certaines conditions très particulières, mais propulser un objet pour atteindre cette vitesse n’est pas quelque chose d’envisageable, même en physique quantique. Le problème est l’énergie nécessaire, qui nécessiterait d’être “infinie” pour gérer la masse d’un objet en mouvement à une telle vitesse. On peut toujours se dire qu’on n’a pas encore tout inventé, mais là c’est quand même un sacré mur.<br /> Sur le sujet:<br /> Quant aux trous de ver, pour le moment on n’est que dans la théorie, il faudrait déjà prouver qu’ils existent et ensuite trouver un moyen de les traverser sans trop de dégâts, en utilisant une matière à énergie de masse négative… qui n’existe pas encore. De quoi alimenter encore beaucoup de conversations.<br /> Sur ce sujet aussi :<br />
Themineraria
Pour préciser un peu ce qui a été dit:<br /> -La vitesse de la lumière est une constante, aucun objet dans l’espace ne peut la franchir et il est faux aujourd’hui de dire qu’avec une énergie infinie (etc), cela serais possible. L’infini “n’existe pas” (dans ce cas) en physique, c’est une notion qui ne peut pas être appliquée dans ce domaine. Supposer que nous puissions réussir quelque chose avec une énergie infinie n’a aucun sens et aucune réalité physique, ce n’es viable qu’en mathématique.<br /> -Il a été prouvé récemment (il y a 5 ans environs, ce qui est relativement récent) notamment par le CERN que sur le plan quantique, “l’information” est capable de dépasser la vitesse de la lumière, pour vulgariser, elle peut se “téléporter”; c’est à dire être transféré instantanément (intrication quantique).<br /> -Le spin d’une particule (électron, photon, etc) n’est pas une rotation d’une particule. L’erreur est de considérer que les particules sont des choses tangibles (au sens propre du terme). Une particule c’est avant tout un amas d’énergie (donc pas du tout un truc capable de tourner sur lui même comme une bille le ferais).<br /> -Les trous de ver ne sont pas une réalité physique aujourd’hui. Ils ont été représentés de diverses manières et il est souvent dit que si ont donnait assez d’énergie pour en faire grossir un et le stabiliser, en le traversant, nous nous retrouvions à un autre point (une sorte de tunnel/raccourci). Ce qu’il est important de savoir c’est que les trous de ver sont le résultat d’une théorie (la théorie des cordes). Cette dernière n’est plus la plus populaire aujourd’hui est elle tend à être supplanté par la théorie de la gravitation quantique à boucle à cause de nombreux paradoxe dont les trous de ver font partis. Tout ceci n’est donc aujourd’hui qu’hypothétique.<br /> -Il est faux de dire que la lumière peut-être considéré comme une onde et une particule à la fois (Feynman le précise d’ailleurs bien dans ces conférences relatés dans l’ouvrage Lumière et matière en français, traduis de l’anglais). Toutes les particules sont composés d’énergie et ont des propriétés qui appartiennent à ce que nous appelons aujourd’hui une onde ou une particule. Cette dualité n’existe pas vraiment, elle fût créée (notamment) par Newton et Huygens mais est une aberration, ces 2 concepts ne sont pas dissocié à l’échelle quantique, ils le sont juste à l’échelle macroscopique afin de faciliter la compréhension au apprenants.<br /> -Enfin, D-wave n’était qu’une vaste fumisterie comme la démontré le scandale étouffé par Google qui à eu lieu, je vous invite à vous renseigner sur cette histoire (dont une petite partie a été transcrite sur wikipédia si je ne m’abuse). Ils ne sont aujourd’hui pas du tout en possessions de 2048 qbits stables (c’est une chose certaine). En effet, quand on annonce un nombre de qbits théoriques, il faut prendre en compte la duré de fonctionnement (qui se compte la plus part du temps en micro secondes) car si elle st très courte, les qbits ont beau éxister physiquement, ils ne servent à rien, la décohérence, etc. Ont parle aujourd’hui, pour les plus gros projets “publiques” d’environs 50qbits stables (c’est à dire 50 qbits utilisables pour réaliser 1 opération pendant quelques nano/micro secondes sans trop de décohérence).
gwlegion
en fait, on peut aller plus vite que C …<br /> C, c’est la vitesse de la lumiere dans le vide … et effectivement, dans le vide, rien ne vas plus vite que C.<br /> Par contre, dans certains milieux, la lumiere peut se deplacer plus vite que C … c’est le cas, dans certains circonstances, dans l’eau …
gwlegion
le probleme de la vitesse dans les trous de vers n’est en soit pas un probleme …<br /> Meme en admettant leur existance …<br /> La vitesse, c’est la distance sur le temps …<br /> Pour le cas d’un trou de ver, on ne peut pas prendre comme distance, le point d’arrivée et le point de depart … car en fait, on ne parcoure pas la distance entre les deux .<br /> Dans le cas d’un trou de ver, tout ce qu’on parcour, c’est le trou de ver en lui meme … donc en fait, une distance negligeable.<br /> les images de stargate sont belles mes fausses … toujours dans le cas hypothetique ou les trou de vers existeraient, passer par une porte nous menerais instantanement a l’autre … sans rien entre les deux.
CypElf
La lumière ne va pas réellement plus vite dans l’eau. C’est un effet de la diffraction. Elle ne peut simplement pas aller plus vite que C car c’est la vitesse constante fondamentale dans la théorie de la relativité à laquelle vont absolument tous les objets de l’espace temps. La lumière a toute cette vitesse concentrée dans l’espace, ce qui fait que de son point de vue, le monde extérieur est figé dans le temps.<br /> Plus de détails dans cette excellente vidéo de science clic : https://youtu.be/kELX0GEQ0H0
gwlegion
fr.wikipedia.org<br /> Effet Vavilov-Tcherenkov<br /> Si vous disposez d'ouvrages ou d'articles de référence ou si vous connaissez des sites web de qualité traitant du thème abordé ici, merci de compléter l'article en donnant les références utiles à sa vérifiabilité et en les liant à la section « Notes et références » <br /> En pratique : Quelles sources sont attendues ? Comment ajouter mes sources ?<br /> L'effet Vavilov-Tcherenkov est un phénomène similaire à une onde de choc, produisant un flash de lumière lorsqu'une particule chargée se déplace dans un mi...<br /> En effet, je me suis un peu trompé .<br /> on peut aller plus vite que la lumiere, mais pas plus vite que C …
CypElf
Autrement dit, pas plus vite que la lumière dans le vide… mais uniquement dans le vide <br /> Je suis d’accord
gwlegion
en fait, si j’ai bien compris, c’est la lumiere qui vas moins vite dans certains milieux … ce qui permet a d’autre particulies d’aller plus vite qu’elle …<br /> C’est quand meme baleze !
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