Les ordinateurs quantiques : une technologie aux super-pouvoirs ?

Les ordinateurs quantiques sont le fruit d’imagination pour certains et l’accès au « savoir absolu » pour d’autres. Ils sont aussi ceux qui permettent de résoudre de nombreux problèmes auxquels notre société fait face aujourd’hui. Dans les années à venir, l’ordinateur quantique serait donc vu comme une révolution technologique, capable d’apporter des éléments de réponse dans des domaines très variés. L’ordinateur quantique sera capable d’apporter des éléments de réponse dans des domaines en tout genre tels que :

La santé
La recherche de nouveaux vaccins instantanément, par un test de toutes les combinaisons d’assemblage moléculaire possible dans une base de données, pour détruire un virus.
Le nucléaire
La maîtrise totale du nucléaire, pouvant être à l’œuvre de nouvelles armes.
L’espace
Comprendre tous les mystères sur lesquelles se base notre univers.

Et bien d’autres encore.

L’ordinateur quantique, par sa technologie de fonctionnement, est donc devenu le nouvel espoir technologique auprès des scientifiques. Aujourd’hui, peu de sociétés comme Google, IBM ou Microsoft ont l’opportunité de travailler avec un ordinateur quantique. Cette technologie n’est ni courante, ni accessible sur le marché des ordinateurs.

Mais quelles sont les différences par rapport à un ordinateur classique ?

L’ordinateur classique

Tout d’abord un ordinateur classique est constitué par des composants électroniques qui communiquent tous ensemble. Il traite les informations avec un microprocesseur et les stocke en mémoire sur un disque dur. Cette information est codée en binaire, c’est-à-dire avec des 0 et des 1 dans des cases appelés « un bit ». Pour manipuler ces bits, une chaîne de composants électroniques travaille ensemble. Ils sont appelés « des portes logiques ». Ce composant électronique en question est le transistor. Aussi, il joue le rôle de transmettre les informations.

On insère ainsi des données en entrées, codés par 0 et 1 et l’ordinateur génère un résultat en sortie, issue d’un enchaînement des informations passant par ces portes logiques (ou transistors). Pour retrouver ce même résultat en particulier, l’ordinateur classique est obligé d’effectuer tous les calculs possibles étape par étape pour tomber sur la bonne information. Ainsi, le transistor fonctionne comme un interrupteur grâce au courant de base. Mais la miniaturisation de celui-ci sur un circuit électrique devient de plus en plus compliquée. Il devient alors primordial de trouver une alternative pour pallier cette limite.

L’ordinateur quantique

L’ordinateur quantique lui fonctionne avec des bits spéciaux que l’on appelle des bits quantiques ou encore qubit.

Les qubits

Les qubits sont des nano-objets régis par la mécanique quantique dont on peut mesurer les propriétés quantiques associés : on peut y retrouver les électrons pour leurs spins, les photons pour sa polarisation, des ions piégés, les nucléons, le noyau d’un atome, les circuits supraconducteurs, etc. Ces qubits, contrairement au bit classique, peuvent prendre simultanément la valeur 0 et 1, ce phénomène est appelé la superposition quantique. Ces ordinateurs quantiques peuvent gérer 2^N informations différentes simultanément par le traitement de calculs effectués en parallèle. L’algorithme de Grover permet d’illustrer ce phénomène de calculs en parallèle : un ordinateur classique effectuerait N étapes de calculs tandis qu’avec cet algorithme quantique on effectuerait seulement les étapes de calculs. Ces qubits passent ainsi par des portes logiques quantiques (généralement représentées par des circuits supraconducteurs). Le détail de ce fonctionnement est expliqué dans la suite de l’article.

Réduction du paquet d’ondes

Contrairement à un ordinateur classique qui fonctionne de manière binaire, l’ordinateur quantique n’est pas du tout déterministe et on ne tombe pas toujours sur le même résultat. La seule manière de vérifier que le résultat est le bon, est d’élaborer des statistiques en répétant l’expérience plusieurs fois. Néanmoins, il existe un inconvénient directement lié au monde quantique : on ne peut avoir que le résultat final. C’est dû au phénomène de réduction du paquet d’ondes : quand un état est superposé, on ne peut pas le connaître en « entier », la seule issue que l’on puisse faire c’est de la mesurer et de la réduire à une seule de ces composantes.

Le phénomène de l’effondrement

Ainsi lorsque l’on mesure un qubit, il va nous donner soit 0, soit 1, mais jamais les deux en même temps. On appelle cela l’effondrement, ce phénomène est aléatoire et reste inexplicable à l’heure actuelle. On doit ainsi se baser sur des statistiques particulières régies par une certaine physique quantique (sphère de Bloch) et donner des probabilités de trouver la position du qubit dans l’espace.

La théorie est fascinante… et dans la pratique ?

Seulement, cela n’est pas facile à mettre en œuvre… Lors de traitements calculs, un qubit peut être très vite perturbé par son environnement extérieur (champ magnétique, lumière, agitation thermique…). Le qubit perdrait sa superposition d’états pour tomber dans des états classiques et prendre la valeur 0 ou 1, c’est la décohérence quantique. Un tel phénomène amène à une perturbation totale du système quantique. Par exemple, si l’on souhaite étudier une étape de calcul en particulier, il est possible de perdre le résultat de toutes les autres étapes en modifiant l’environnement qui les lie tous ensemble. Cette liaison modifie leurs propriétés physiques entre les qubits, quelle que soit la distance qui les sépare, est appelé l’intrication quantique. D’ailleurs ce sont les phénomènes d’intrication quantique et de superposition des états qui sont à l’origine de la puissance de calcul impressionnante par des séries de calculs en parallèle chez les ordinateurs quantiques. L’association de plus en plus de qubits dans un ordinateur quantique augmente certes la puissance de calcul du système quantique, mais augmente considérablement son instabilité dans le temps.

Peut-on faire face à cette décohérence ?

Des moyens techniques sont mis en œuvre par les chercheurs pour pallier ce problème de décohérence et de durée de vie des qubits comme travailler sous un environnement se rapprochant du zéro absolu. Atteindre des températures extrêmes permettrait d’isoler au mieux les qubits en diminuant toutes les interférences environnementales. Il existe différents types d’hébergements comme des chambres sous vide pour stabiliser les qubits par la réduction de vibrations. De plus, l’emploi d’un qubit à un autre change complètement la performance de l’ordinateur : les qubits supraconducteurs sembleraient moins bien résister à la décohérence que les ions piégés, mais restent plus faciles à manipuler.

Etat des lieux du marché actuel des ordinateurs quantiques

Aujourd’hui, Les entreprises développant de nouveaux ordinateurs quantiques ont toutes pour objectif de réduire le temps de décohérence tout en ajoutant le plus de qubits possible. C’est une course à la meilleure technologie utilisée en se penchant sur certains procédés de fabrication des qubits. Voici les ordinateurs quantiques les plus couramment utilisés :

Les ordinateurs quantiques à technologie RMN à l’état liquide.
Le but est d’appliquée à un noyau d’un soluté, un champ radiofréquence en résonance avec la fréquence de Larmor du noyau en question, entraînant ainsi la rotation de son spin.
Mais aussi, les ordinateurs quantiques supraconducteurs.
Ses circuits quantiques avec des matériaux supraconducteurs à base de jonctions Josephson permettent d’encoder l’état d’un qubit dans la charge ou le flux afin de résister suffisamment longtemps à la décohérence.
Et enfin, les ordinateurs quantiques à base d’ions piégés.
Les ions stockent les qubits dans des états stables et l’information quantique est transférée dans un piège grâce à la force électrostatique des ions.

À retenir

Les ordinateurs quantiques à ce jour sont des technologies qui évoluent rapidement, et sont encore loin d’être disponibles sur le marché; bien que le premier ordinateur quantique commercial, l’IBM Q System One, ait fait son apparition en 2019.

Sa puissance de calcul phénoménale fait la force d’un ordinateur quantique. Mais les inconvénients majeurs qui l’entourent ralentissent fortement le développement de ces ordinateurs, comme le refroidissement au zéro absolu ou encore les problèmes liés au phénomène quantique. De plus, cela reste un investissement très cher pour les sociétés.

Il est important de rappeler qu’un ordinateur quantique, à ce jour, ne fonctionne pas comme un ordinateur classique au niveau technologique, mais aussi dans son utilisation comme accédée à internet, utiliser des logiciels, etc.

La science doit continuer d’avancer afin de lever les verrous techniques, pour tous les défis que l’humain souhaite résoudre.