Capables de résoudre des problèmes actuellement insolubles, les ordinateurs quantiques font l’objet de nombreux fantasmes. Autant auprès des physiciens que des États ou des grandes entreprises fascinés par leur potentiel. Pour autant, ces ordinateurs ne sont, à l’heure actuelle, pas encore en état de fonctionnement. Alors, quelle est cette technologie innovante ? Quels sont ses défis ? Et ses promesses ? Décryptage.
C’est quoi un ordinateur quantique ?
Définition
Un ordinateur quantique, c’est un peu comme un ordinateur classique super-performant.
En effet, ces derniers manipulent des bits d’information qui correspondent à des 0 ou des 1. Ils effectuent alors des calculs linéaires, l’un après l’autre.
À l’inverse, les ordinateurs quantiques utilisent les qubits (ou bits quantiques) qui permettent d’effectuer des calculs à l’échelle atomique. Pour ce faire, cette technologie se base sur la physique quantique et plus précisément, la superposition des états quantiques. En superposant les 0 et les 1, les ordinateurs quantiques sont capables de réaliser plusieurs calculs en même temps.
Ce qui permet de résoudre des problèmes beaucoup plus rapidement. À condition bien sûr de disposer d’un très grand nombre de qubits. Le souci, c’est que l’augmentation du nombre de qubits entraîne une instabilité de la superposition des états quantiques.
C’est pourquoi aujourd’hui, les ordinateurs quantiques sont encore très élémentaires.
Bon à savoir : Si les ordinateurs quantiques n’ont pas encore révélé leur plein potentiel, ils sont étudiés depuis les années 1980. À cette époque, le physicien Richard Feynman a utilisé les lois de la mécanique quantique pour mieux comprendre les systèmes quantiques et leurs interactions. C’est d’ailleurs lui qui a initié les premiers calculateurs quantiques.
Ordinateurs vs calculateurs quantiques
Souvent confondus, ordinateurs quantiques et calculateurs quantiques sont pourtant bien différents.
En effet, le calculateur quantique est capable de résoudre un seul problème bien particulier. Il ne peut exécuter qu’un seul algorithme.
À l’inverse, l’ordinateur quantique est censé exécuter n’importe quel algorithme pour résoudre tous types de problèmes. Et c’est justement ce caractère universel qui rend le fonctionnement des ordinateurs quantiques si complexe.
Quels sont les défis à relever des ordinateurs quantiques ?
À l’heure actuelle, les ordinateurs quantiques, tels qu’on les imagine, ne sont pas en état de fonctionnement. Et les défis à relever sont encore nombreux.
La montée à l’échelle
Plus un ordinateur quantique possède de qubits, plus il est performant. Mais dans le même temps, il devient aussi plus difficile à contrôler.
Notamment à cause de la chaleur. En effet, les ordinateurs quantiques doivent être situés dans des endroits à très basse température (peu au-dessus de 0) pour fonctionner. Le problème, c’est que la chaleur est automatiquement dégagée à chaque information d’un qubits. Et quand leur nombre se multiplie, les températures augmentent. Laissant alors les qubits non fonctionnels.
Aujourd’hui, les ordinateurs quantiques existants ne possèdent qu’une dizaine, voire une centaine de qubits pour les plus grosses machines. Or, pour concevoir des algorithmes complexes, il faudrait des milliers de qubits.
La décohérence
L’autre défi majeur, c’est la décohérence. Autrement dit, la confrontation de l’ordinateur quantique à son environnement.
À ce titre, on peut le comparer à un château de cartes. À mesure qu’on y ajoute des cartes, le château devient de plus en plus sensible à la moindre altération de son environnement (comme un souffle).
C’est la même chose avec l’ordinateur. La moindre anomalie extérieure peut provoquer une erreur. D’ailleurs, les experts estiment qu’une erreur est commise pour chaque 1000 opérations.
Il convient donc de le protéger de son environnement. Pour cela, plusieurs pistes sont proposées, telles que :
- Les circuits solides : comme les supraconducteurs ou les boîtes quantiques. Ils permettent de faire fonctionner de grands nombres de qubits. Cependant, ils sont très sensibles à l’environnement, et donc à la décohérence.
- Les ions piégés : ils résistent très bien aux perturbations de l’environnement. Mais le défi consiste à intégrer de tels systèmes dans une puce d’ordinateur.
- Les codes quantiques : il s’agit de codes correcteurs d’erreur. Ces modèles sont encore à perfectionner pour faire fonctionner les ordinateurs quantiques.
À quoi sert un ordinateur quantique ?
35,5 milliards de dollars ont été investis à travers le monde dans les technologies quantiques en 2022. Côté français, les investissements sont tout aussi massifs avec 1,8 milliard d’euros dépensés. Pourquoi un tel engouement ? À cause des promesses de l’ordinateur quantique.
Quelles sont les promesses de l’ordinateur quantique ?
En réalisant plusieurs calculs en même temps, les ordinateurs quantiques sont capables de traiter d’énormes quantités de données. Beaucoup plus que ce que font nos ordinateurs actuels à l’heure du big data.
Ils seraient, en effet, capables d’utiliser l’algorithme de Shor. C’est l’algorithme le plus performant. Il est capable de factoriser de grands nombres entiers en un temps considérablement plus court.
Par ailleurs, Google prétend qu’un processeur issu de la technologie quantique pourrait réaliser une opération en seulement 3 minutes, alors qu’un ordinateur classique ne la résoudrait qu’en 10 000 ans.
Alors concrètement, par quoi cela se traduit-il ? Voici plusieurs exemples d’application des ordinateurs quantiques :
- Optimiser les techniques de chiffrement en cryptographie (l’algorithme de Shor serait d’ailleurs capable de craquer les systèmes de type RSA) ;
- Simuler des molécules chimiques pour la conception de nouveaux médicaments ;
- Élaborer des systèmes financiers complexes ;
- Fabriquer un matériau supraconducteur à température ambiante pour transférer l’électricité sans perte ;
- Optimiser les modèles d’IA et de machine learning ;
- etc.
De la finance à l’industrie en passant par la médecine, les ordinateurs quantiques révolutionneront nos modes de fonctionnement actuels. D’autant plus qu’à côté des ordinateurs, d’autres technologies utilisent la physique quantique, comme les communications quantiques ou les capteurs quantiques.
Les ordinateurs quantiques verront-ils le jour ?
À l’heure actuelle, personne n’a la réponse et les scientifiques sont largement en désaccord sur le sujet. Cela dit, avec tous les investissements engagés pour développer cette technologie, il y a fort à parier qu’ils voient le jour. Peut-être dans 3 ans, dans 10 ans, dans 20 ans…
Quelle que soit la date de fonctionnement réel, si les ordinateurs quantiques respectent leurs promesses, nous assisterons sans doute à une autre révolution technologique, au même titre qu’internet, et plus récemment l’intelligence artificielle.
