Ordinateur quantique : Explications

Rédigé le 10/07/2019


L'ordinateur quantique se dévoile dans les laboratoires d'IBM à Zurich

Revisiter l’informatique traditionnelle à l’aune des bizarreries de la physique quantique: c’est la promesse de l’informatique quantique, domaine de recherche en pleine effervescence où IBM se place en pointe. Heidi.news a pu visiter les laboratoires européens de la firme, basés à Zurich.

Pourquoi c’est important. L’ordinateur quantique implique une architecture technique radicalement différente: contrairement au bit, qui se trouve soit dans l’état 0, soit dans l’état 1, le qubit — ou bit quantique — peut se trouver simultanément dans les deux états. La promesse est de taille: rien de moins qu’un changement de paradigme qui permettrait, à terme, de résoudre des problèmes mathématiques aujourd’hui trop complexes pour les supercalculateurs. Mais d’ici là, la route est longue, et semée d’embûches.

Plusieurs universités et laboratoires de recherche, dont IBM, Intel et Google, sont aujourd’hui lancés dans la course à l’ordinateur quantique. Au cours des 10 dernières années, près de 5000 études scientifiques ont été publiées. IBM fut la première société à commercialiser, début 2019, son service d’informatique quantique IBM Q System One via le cloud.

Comment ça fonctionne. Éléments de réponse issus d’une présentation donnée par Walter Riess, responsable des activités en informatique quantique du centre de recherche IBM de Zurich, et d’un échange avec Daniel Egger, chercheur en informatique quantique chez IBM. Accrochez-vous, c’est un rien technique.

  • L’informatique quantique ne repose pas sur le même type de semi-conducteurs que l’informatique classique, basée sur des transistors. Elle nécessite de recourir à des matériaux supraconducteurs, alliés à un résonateur à micro-ondes. Et ce n’est pas tout: pour fonctionner comme attendu, ces circuits imprimés doivent être refroidis à une température proche du zéro absolu, soit 15 mK (-273,135 °C!), grâce à un mélange d’hélium 3 et d’hélium 4.


  • Dans un deuxième temps, on lit l’état, allumé ou éteint, du qubit. Mais la différence, c’est que le qubit peut se trouver simultanément dans l’état 0 et 1. D’où une étape supplémentaire: celle du calcul de la probabilité de lire la valeur 0 ou 1. Et ce n’est pas tout! Il faut encore tenir compte du phénomène d’intrication quantique, où l’état quantique de deux particules est interdépendant, même à distance. Autrement dit, chaque qubit a une influence sur les autres…

  • Ces phénomènes peuvent bien sûr être décrits par des formules physiques, mais l’on doit encore faire appel aux capacités de simulations de l’informatique classique pour prédire leur état attendu. Un problème, si l’on veut concevoir une architecture quantique complexe. En effet, à plus de 49 qubit, il devient très difficile de réaliser cette prédiction à l’aide des supercalculateurs actuels, avertissait une étude fin 2018.

Pourquoi on ne peut plus raisonner comme avec l’informatique classique. On l’a vu dans les quelques lignes qui précèdent: avec l’informatique quantique, ce n’est plus le nombre de bits ou de qubits qui prime. Le taux d’erreur obtenu dans leur lecture est tout aussi important, un concept appelé «volume quantique» par les spécialistes.

Pourquoi l’ordinateur quantique passionne les spécialistes. La puissance de calcul atteinte par ces systèmes reste pour l’instant inférieure à celle des microprocesseurs traditionnels. Malgré tout, l’espoir est grand de les voir un jour résoudre des problèmes de physique irrésolus. Voici pourquoi:

  • Contrairement à l’ordinateur classique, qui peut calculer à partir de N entrées simultanées, l’ordinateur quantique peut calculer—N étant le nombre de bits, ou de qubits — avec 2N entrées simultanées… et démultiplier la puissance de calcul.

  • L’intérêt est aussi conceptuel: grâce à cette architecture, il est envisageable de résoudre un jour des problèmes où la consommation des ressources croît de manière exponentielle avec la taille du problème (on parle de problèmes NP-complexes), qu’on ne pourrait résoudre par des simulations classiques faute de disposer d’une durée équivalente à l’âge de l’univers devant soi.

Les applications. Elles vont de l’intelligence artificielle à la cryptographie (ce qui rendrait nos standards actuels obsolètes) en passant par la finance ou la chimie, notamment la découverte de nouvelles molécules actives en chimie pharmaceutique. Walter Riess l’illustre par un exemple:


«Pour représenter l’état d’énergie quantique d’une seule molécule, il faudrait 1048 bits, alors que le nombre d’atomes sur notre planète est estimé entre 1049 et 1050»

Pourquoi on n’y est pas encore. La messe n’est pas encore dite. Car en tenant compte des taux d’erreurs, l’informatique quantique garde encore des performances moindres à celle de l’informatique traditionnelle. «Ces ordinateurs seront dans un premier temps utilisés en complément des infrastructures traditionnelles, en guise d’accélérateurs», explique-t-on chez IBM. Daniel Egger résume:


«Nous attendons désormais, avec un peu de chance pour le courant des années 2020, la percée majeure qui permettra de voir les ordinateurs quantiques surpasser les ordinateurs traditionnels.»

Quels partenariats académiques? Dans cette quête, il est crucial pour IBM de bien s’entourer. La firme a annoncé le 3 juillet, à l’occasion de la Conférence mondiale des journalistes scientifiques, l’entrée de l’EPFL dans son réseau de partenaires académiques. L’EPFZ participera également à des travaux de recherche conjoints.

Source : Heidi News