L'informatique quantique : la quête du Graal numérique

Permettant de démultiplier les performances de calcul actuelles, l'informatique quantique pourrait être l'une des solutions à la fin de la loi de Moore.

La notion d'ordinateur quantique est née dans les années 1970 et 1980. Elle est notamment portée par le physicien américain David Wineland - qui a reçu le Prix Nobel de physique pour ses recherches dans ce domaine. Derrière ce concept figure l'idée selon laquelle les phénomènes quantiques pourraient être utilisés pour décupler la puissance de calcul des machines classiques. Alors que les ordinateurs d'aujourd'hui utilisent le bit comme unité fondamentale, le calculateur quantique, lui, s'adosse sur une valeur appelée le qubit (ou quantum bit). Une valeur qui permet non seulement de s'exprimer par le biais de 1 et 0, mais également par une superposition des deux.

D-Wave serait la première société à avoir commercialisé un calculateur quantique. Mais des chercheurs mettent en doute le caractère quantique de ses machines. © Capure JDN

La vitesse de calcul se voit ainsi augmenter de manière exponentielle, la machine étant capable de traiter simultanément plusieurs états à la fois. La mesure de puissance du qubit ? Elle est de 2 à la puissance N (N étant le nombre de qubits dans le processeur). Ainsi, une machine binaire reposant sur une architecture à 6 bits pourrait créer une des 64 (2 à la puissance 6) combinaisons possibles (000000, 000001, 000010...). Le qubit pouvant être une superposition de 1 et 0, peut tendre d'un coup vers 64 états. L'informatique quantique permet ainsi de passer outre les limites de la loi de Moore, selon laquelle la complexité des semi-conducteurs d'entrée de gamme double tous les ans à prix constant.

Comment passer du bit au qubit ? That is the question...

Mais comment se présente alors concrètement un qubit d'information ? Très schématiquement, le fonctionnement d'un qubit (que l'on peut comparer à un atome artificiel) repose sur différents phénomènes de physique nucléaire. C'est aussi la raison pour laquelle l'ordinateur est dit quantique. Il fait en effet référence à la physique quantique décrivant le comportement des atomes et particules. Quels sont ces phénomènes nucléaires ? Un qubit peut être créé en s'appuyant par exemple sur la polarisation d'un photon (et la mesure du plan de polarisation), ou bien sur le niveau d'énergie d'un atome, ou les moments cinétiques de "spin", ou révolution, de l'électron autour de lui.

Un obstacle de taille : le système doit rester isolé le temps du calcul

Il existe plusieurs techniques pour créer des qubits. Grâce aux supraconducteurs, ils peuvent être embarqués sur des circuit électroniques dotés de semi-conducteurs fabriqués à partir de méthodes déjà connues, empruntées à la nanoélectronique.

Reste un obstacle technique de taille avant de faire fonctionner un ordinateur quantique. Le système, pendant la phase de calcul, doit être totalement isolé de toute interférence thermique ou magnétique. Du fait de la physique nucléaire qui le met en musique, le qubit est en effet sensible à toute perturbation, notamment les champs électromagnétiques. Les chercheurs appellent le temps de "décohérence" la période pendant laquelle le système reste ainsi isolé, l'intégrité de ses propriétés quantiques étant alors complètes.

Les problèmes de conception sont également très nombreux. Au-delà de la création d'un qubit, il faut notamment aussi être capable de créer des détecteurs pour mesurer l'information portée par le qubit. Cela implique de maitriser les paramètres du flux magnétique (intensité et distribution spatiale), ce qui se révèle complexe.

Google, un pionnier

Quelques acteurs se sont lancés dès les années 2000 dans la course à la construction d'un ordinateur quantique. L'Américaine D-Wave est le premier d'entre eux. Il annonce en 2007 être parvenu à construire un prototype de 1 qubit, sans pour autant le présenter à la communauté scientifique - pour des raisons de confidentialité. En 2009, D-Wave annonce avoir passé le cap des 128 qubits. La même année, la start-up signe un accord de co-innovation avec Google. C'est la première fois que le géant informatique communique sur le sujet. En 2011, D-Wave est vendu à Lockheed Martin, et la société, dont la marque perdure, a depuis lancé la commercialisation d'un ordinateur quantique.

Puce conçue par IBM hébergeant trois qubits. © IBM

En mai 2013, Google annonce tambour battant le lancement d'un laboratoire de recherche centré exclusivement sur l'informatique quantique : le Quantum Artificial Intelligence Lab. Objectif : proposer une nouvelle voie au machine learning et au calcul combinatoire en vue d'améliorer l'efficacité des modèles prédictifs. Google évoque notamment les grands défis sociétaux du monde moderne : le climat, la santé et l'alimentation.

Hébergé par la Nasa, le laboratoire de Google est doté d'un ordinateur quantique... Un D-Wave de deuxième génération (2X) reposant sur une architecture de 1 097 qubits.

Des offres commerciales chez Atos et IBM

Mais le groupe de Mountain View n'est désormais plus le seul géant IT à s'intéresser à l'informatique quantique.  D'autres lui ont emboîté le pas. C'est notamment le cas d'IBM. Avec pour objectif de démocratiser la discipline, IBM commercialise un calculateur quantique en mode cloud depuis mai 2016. Baptisé IBM Q, il a déjà été utilisé par quelques 40 000 clients dans une centaine de pays. 300 000 expériences quantiques ont été menées à via cette infrastructure. L'offre est disponible en deux configurations (en processeur de 16 ou 17 qubits).

Du quantique à l'informatique douée de conscience...

Chez Microsoft également, un projet de recherche a été lancé. Mais aussi chez Intel. Le fondeur a annoncé un investissement de 50 millions de dollars sur le sujet en 2015, dans l'optique très claire de passer outre les frontières de la loi de Moore.

Reste qu'un débat existe entre les chercheurs. Certains mettent sérieusement en doute les capacités de l'informatique quantique à dépasser celles de l'informatique conventionnelle. Pour répondre à ces interrogations, les équipes de R&D des principaux groupes impliqués se sont mis au travail. Depuis, Google a par exemple publié une étude comparative qui tend à prouver les capacités de l'ordinateur quantique (lire l'article : Un ordinateur quantique serait 100 millions de fois plus rapide qu'un ordinateur conventionnel).

Disponible en 5 configurations, de 30 à 40 Qubits, le simulateur quantique d'Atos permet de développer et tester des applications quantiques via un langage dédié (le aQasm). © Atos

La France est elle aussi présente dans cette course à l'informatique quantique. Depuis les années 2000, le CEA travaille sur le sujet via plusieurs projets d'expérimentation. Dans le sillage de D-Wave et IBM, l'ESN française Atos a même dévoilé un simulateur quantique en avril 2016. Baptisée l'Atos Quantum Learning Machine, ce calculateur est dessiné pour reproduire le comportement d'une infrastructure de 30 à 40 qubits. Affichant un prix d'entrée de 100 000 euros, il cible les centres de recherche qui souhaitent commencer à plancher sur des programmes compatibles avec les ordinateurs quantiques de demain. 

Souvent ouvertement critiqués par la communauté scientifique, certains chercheurs, et notamment français, ont imaginé la prochaine étape. Simon Thorpe, directeur de recherche du CNRS au CERCO (Centre de recherche cerveau et cognition) à Toulouse, n'hésite pas affirmer l'existence d'un lien entre conscience et physique quantique, en faisant référence notamment aux travaux des chercheurs américains Stuart Hameroff et Roger Penrose. De là à évoquer un futur ordinateur quantique qui serait doué de conscience... Simon Thorpe pose la question de cette éventualité pour le futur (voir sa présentation relative à une conférence donnée en 2013).

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