Comprendre les bases de l'informatique quantique

Publié par Maxence Andrieux, le 1 février 2018   130

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L'ordinateur quantique commence à faire parler de lui : beaucoup de contre-vérités sont dites à son sujet. Pour comprendre ce qu'est vraiment un ordinateur quantique et saisir les enjeux liés à son développement, je me suis entretenu avec Antoine Zimmermann, chercheur en informatique à l’École des Mines de Saint-Étienne.

À la base, il y a le bit

Un bit c’est la brique de base qui compose l’information traitée et stockée sur votre ordinateur. Un bit est un caractère qui ne peut prendre que deux formes différentes : 1 et 0. 1 et 0 forment l’alphabet du langage informatique. Pour faire simple, votre ordinateur ne comprend que les mots à base de bits. Par exemple, 11111100001010100101001101011011 est intelligible pour un ordinateur. Cette spécificité est bien cachée dans les ordinateurs destinés au grand public, mais au fond que ce soit votre téléphone, votre PC ou votre téléviseur, ils parlent tous une langue constituée de bits.

Si les premiers informaticiens ont décidé de n’apprendre que cet alphabet limité à leurs ordinateurs, c’est parce qu'il était facile pour eux de construire physiquement ce bit. Une ampoule par exemple ne prend que deux « valeurs » : allumée et éteinte. À vous de choisir ensuite si « allumée » vaut 1 et « éteinte » vaut 0. Aujourd’hui, toutes les technologies informatiques utilisent des systèmes qui représentent des 1 et des 0 : un DVD, un disque dur, etc.

Tout n’est qu’algorithme

Maintenant que notre ordinateur est doté d’un alphabet et qu’il peut écrire et lire des mots, il faut lui apprendre un langage. Le langage de tout ordinateur est son algorithme, c’est-à-dire un ensemble de mots qui a du sens pour lui. Par exemple, un ordinateur sait dire « non ». Si un signal correspondant au mot 1 lui parvient, cet algorithme répondra 0.

En fait, le travail des informaticiens a été de déterminer un ensemble d’algorithmes très simples – comme le « non » — grâce auquel on peut écrire n’importe quel autre algorithme. Dans mon analogie avec le langage, l’ensemble de ces algorithmes de base serait notre dictionnaire. C’est ce dictionnaire qui est construit et qui constitue votre ordinateur.

Grâce à ce dictionnaire, vous pouvez lire mon article sur un logiciel de type navigateur web – comme Firefox ou Chrome, écrire des textes dans Word ou LibreOffice Writer, etc. Tous les logiciels que vous utilisez sont en fait des superalgorithmes.

Le qubit, frère quantique du bit

Pour comprendre l’informatique quantique, il est nécessaire de se pencher un petit peu sur la physique quantique. La première chose à savoir – et à accepter – c’est que, en deçà d'une certaine taille, les particules ne se comportent plus du tout de manière intuitive. Le phénomène qui est le plus exploité en informatique quantique est la superposition quantique des états.

Vous connaissez peut-être l’expérience du chat de Schrödinger. Pour faire court, sachez que le résultat de cette expérience nous dit que, tant qu’on ne regarde pas ce qui se passe, un chat enfermé dans une boite est un peu mort et un peu vivant à la fois. Pour comprendre cette expérience, il faut bien comprendre que ce chat est mort et vivant uniquement tant qu’on ne regarde pas dans la boîte !

Cet effet a bien lieu dans la réalité : mais, heureusement, pas avec des chats ! On observe ce phénomène de superposition quantique à l'échelle de l'électron, constituant de l’atome, ou des photons, la particule de lumière découverte par Einstein.

Un qubit est donc un objet suffisamment petit pour que puisse avoir lieu la superposition de deux états. Un qubit, contrairement à son frère le bit, pourra donc être un peu dans l’état 1 et un peu dans l’état 0. Pour un informaticien, le qubit est donc un bit amélioré qui en plus de pouvoir valoir 1 ou 0 peut aussi valoir 1 et 0 simultanément.

À quoi ça ressemble un algorithme quantique ?

Changer l’alphabet de base de l’ordinateur implique aussi de changer son dictionnaire et son langage. Le travail des informaticiens quantiques – appelons-les comme ça – est donc de redéfinir les algorithmes de base, c’est-à-dire le dictionnaire et une nouvelle manière de construire des algorithmes plus complexes.

Ce travail a commencé bien avant que le sujet ne devienne populaire. La première idée d’un ordinateur quantique vient entre autres du physicien Feynman dans les années 1970. Un prix Nobel en physique a même été donné en 2012 pour un travail lié à la conception des qubits.

Concrètement, un algorithme quantique permet de traiter de nombreux calculs sur une seule machine en une seule opération. Imaginez que l’on veuille appliquer l’algorithme « non » à 2 bits, 1 et 0. Un ordinateur classique va d’abord appliquer notre algorithme à 1, puis à 0. Il effectue donc deux opérations distinctes. Un ordinateur quantique pourra lui grâce à un seul qubit représenter les deux bits. On applique alors l’algorithme « non » – adapté à l’informatique quantique – à ce qubit. L’ordinateur quantique effectue bien une seule opération.

Ce pour quoi sont conçus les ordinateurs quantiques

Pour l’instant, les physicien.ne.s ont réussi à démontrer que les algorithmes quantiques ont le potentiel d’améliorer les temps de calcul dans de nombreux problèmes par rapport à l’informatique classique.

Dans certains cas, l’amélioration est telle qu’elle pose des questions dépassant le cadre de l’informatique. Les ordinateurs quantiques pourraient à terme remettre en cause la sécurité des transactions informatiques. Par exemple, quand vous entrez un mot de passe sur un site web, vous le communiquez de manière sécurisée à un autre ordinateur.

Plus graves, les transactions financières ou les communications secrètes des États sont pour la plupart sécurisées à l’aide de technologies similaires. Des chercheurs commencent heureusement dès maintenant à concevoir des systèmes de transactions sûrs et adaptés à l’informatique quantique.

En revanche, le gain de temps avec les algorithmes quantiques, bien que considérable, n'est pas suffisant pour résoudre efficacement les problèmes informatiques les plus complexes. La révolution consiste principalement dans la capacité des ordinateurs quantiques à faire beaucoup de calcul d’un seul coup.

Les très grandes entreprises d’informatique sont quasiment les seules à investir dans la recherche en informatique quantique

Les entreprises qui annoncent le plus d’avancées en informatique quantique sont par exemple Google, IBM, Intel ou Microsoft. Les gouvernements investissent beaucoup moins que ces entreprises dans ce domaine. Et pour cause, selon Antoine Zimmermann, ces entreprises cherchent à posséder une puissance de calcul supérieur à leurs concurrents qui a terme leur coûterait moins cher.

Le défi est donc économique et dans une certaine mesure écologique. Pour Antoine Zimmermann, développer des ordinateurs plus puissants permettrait de limiter le nombre d’ordinateurs, et donc de diminuer l’énergie consacrée à les faire fonctionner. Selon lui, un ordinateur quantique de la taille d’une chambre serait équivalant à un centre de données moderne, aujourd’hui alimenté par une petite centrale. L’ordinateur quantique est donc une solution pour augmenter la puissance de calcul en limitant l’espace et l’énergie utilisée.

Si l’informatique quantique se développe au même rythme que l’informatique classique, il est envisageable qu’un jour les ordinateurs quantiques soient plus performants que les supercalculateurs actuels. Il faut cependant bien garder à l’esprit que dans l’état actuel de la recherche, ces ordinateurs ne remettent pas en cause notre sécurité sur Internet et que leurs applications sont surtout liées au domaine de la recherche, bien loin de nos applications quotidiennes.

Pour aller plus loin

Quèsaco l’ordinateur quantique ?, Blog de l'IMT

L’ordinateur quantique : tout comprendre en partant de zéro, Institut Pandore