Qu’est-ce que l’informatique quantique ?


L’informatique quantique a été conçue au début des années 80 par les chercheurs Paul Benioff, Richard Feynman et Yuri Manin. Elle vise à utiliser les comportements quantiques des objets quantiques (dont les photons qui ne sont pas des particules subatomiques) pour résoudre certains problèmes plus rapidement et plus facilement que les ordinateurs classiques ou même les superordinateurs, et en demandant moins de puissance.

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Qu’est-ce qu’un ordinateur quantique et en quoi diffère-t-il des systèmes informatiques actuels ?

L’informatique quantique est une technologie émergente qui cherche à utiliser la nature unique du domaine quantique (à l’échelle des atomes et des particules subatomiques) pour résoudre des problèmes complexes. En théorie, les grands ordinateurs quantiques pourraient résoudre certains types de problèmes, comme le déchiffrage de cryptogrammes ou la résolution de problèmes d’optimisation complexes, beaucoup plus rapidement que les ordinateurs classiques. Mais la technologie actuelle est loin d’être prête à relever ces défis.

Les ordinateurs quantiques utilisent les propriétés quantiques de particules élémentaires telles que les atomes, les électrons ou les photons avec des qubits. Ces derniers ont la particularité de pouvoir gérer des états superposant un 0 et un 1. Lorsqu’ils sont combinés, ils permettent de superposer un grand nombre de valeurs.

Alors qu’est-ce qu’un ordinateur quantique et en quoi diffère-t-il des systèmes informatiques que nous connaissons aujourd’hui ?

Au lieu d’utiliser le système binaire basé sur des 1 et des 0 (bits) de l’informatique classique, l’informatique quantique se base sur des qubits dont l’état peut être représenté à tout moment par un nombre complexe appelé amplitude, qui décrit la probabilité d’obtenir 0 ou 1 lors de la lecture de l’état du qubit. Selon les recherches actuelles, cette complexité pourrait rendre les ordinateurs quantiques plus aptes à résoudre des problèmes difficiles, en particulier les grands ordinateurs dotés de plusieurs milliers ou millions de qubits, voire plus.

Comment fonctionne un ordinateur quantique et quels en sont les avantages potentiels ? Qu’est-ce qu’un qubit ?

Un qubit correspond à un système quantique-mécanique possédant deux états quantiques distincts et contrôlables, tels que la polarisation d'un photon de lumière, le niveau d'énergie d'un atome ou le spin d'un électron. Les qubits pouvant exister dans un plus grand nombre d’états que les bits standards, un ordinateur quantique peut traiter beaucoup plus d'informations par qubit qu'un ordinateur classique ne le peut par bit. Par exemple, alors que 1 024 bits fournissent 128 octets de RAM, la même quantité de données peut être stockée en utilisant seulement 10 qubits. Un ordinateur quantique de 1 000 qubit pourrait gérer 21 000 nombres différents.

Quelles sont les capacités des ordinateurs quantiques ?

De quoi pourraient être capables les ordinateurs quantiques ? Ces ordinateurs ne sont pas censés remplacer les ordinateurs classiques ou les superordinateurs. Ils seront sans doute plus performants pour certains types de tâches informatiques, mais leur apparence et leur fonctionnement seront très différents de ceux des appareils que nous utilisons aujourd’hui. De plus, les ordinateurs conventionnels resteront la meilleure option pour résoudre de nombreux problèmes. Toutefois, les ordinateurs quantiques pourraient présenter des avantages pour certains types de défis informatiques :

Cryptographie

Développé par Peter Shor en 1994, l’algorithme de factorisation des nombres entiers de Shor est un algorithme quantique qui permet d’identifier les facteurs premiers de n’importe quel nombre entier ou entier naturel. Aujourd’hui, ce problème ne peut pas être résolu par les ordinateurs classiques dans un délai pratique pour les grands entiers. Les systèmes cryptographiques à clé publique tirent actuellement parti de cette difficulté pour créer des clés publiques utilisées dans le cryptage des données, notamment pour les e-mails, les transactions financières en ligne et d’autres communications sécurisées, comme les VPN et SSH. La clé publique est un produit de deux très grands entiers connus uniquement par le destinataire sélectionné. En théorie, personne d’autre n’est capable de calculer ces nombres premiers pour décrypter le message.

C’est là qu’intervient l’algorithme de Shor, selon lequel des ordinateurs quantiques suffisamment puissants pourraient déchiffrer les systèmes cryptographiques à clé publique actuels. Cette possibilité a donné lieu à de plus en plus de recherches sur les moyens de renforcer la sécurité et la confidentialité des données à l’aide de la cryptographie quantique.

Optimisation de résolution des problèmes

Au-delà du déchiffrage des systèmes cryptographiques, de quoi est potentiellement capable un ordinateur quantique ? Avec la puissance adéquate, les ordinateurs quantiques pourraient aider à trouver des solutions optimales à certains types de problèmes comportant un grand nombre de résultats potentiels. Par exemple, ils pourraient permettre de construire des modèles prédisant les trajectoires les plus probables des particules subatomiques dans la recherche en physique sur les hautes énergies. Les ordinateurs quantiques pourraient également résoudre le problème du voyageur de commerce, qui consiste à déterminer le circuit le plus court possible entre plusieurs destinations. La réalisation de cet objectif pourrait faire progresser considérablement la technologie du big data.

Machine learning

Grâce à leurs capacités d’optimisation, les ordinateurs quantiques pourraient aider à créer de meilleurs modèles de machine learning et de deep learning avec un taux d’erreur plus faible.

Autres applications

Les ordinateurs quantiques pourraient potentiellement servir bien d’autres causes, notamment le développement de nouveaux médicaments ou l’optimisation des finances. Le mot clé étant « potentiellement ». S’il existe des applications évidentes pour lesquelles ces ordinateurs présenteraient un avantage considérable par rapport aux ordinateurs classiques, le défi consiste à les construire de manière évolutive. La technologie actuelle n’est pas encore assez développée pour s’adapter aux problèmes que les ordinateurs classiques sont déjà capables de résoudre, et encore moins pour surmonter les tâches que les appareils actuels ne parviennent pas à gérer.

À quel stade se trouve actuellement l’informatique quantique ?

Le domaine de l’informatique quantique a connu un essor en 2019, lorsqu’un document de recherche ayant fait l’objet d’une fuite a indiqué que Sycamore, l’ordinateur quantique de Google, avait atteint la suprématie quantique. Ce terme désigne le fait qu’un ordinateur quantique est parvenu à solutionner rapidement un problème qu’aucun ordinateur classique ne pouvait résoudre dans un délai raisonnable.

En novembre 2021, un processeur de 127 qubits a franchi le cap des 100 qubits pour la première fois.

Quels sont les défis liés au développement des ordinateurs quantiques ?

Les principaux obstacles sont le bruit et la décohérence. Lorsqu’une particule quantique n’est pas isolée du milieu environnant, toute interaction indésirable, comme le fait de prendre une mesure, peut la faire s’effondrer en un bit classique ayant une simple valeur de 0 ou 1. Le bruit et la décohérence sont donc à éviter, car les qubits ont une durée de vie très faible, actuellement de l’ordre de 100 µs pour les qubits supraconducteurs. Seules quelques portes quantiques peuvent être exécutées pendant ce laps de temps.

Le bruit et la décohérence des qubits nécessitent le recours à des codes de correction d’erreurs quantiques (QECC), qui combinent plusieurs qubits physiques en qubits logiques avec un taux d’erreur beaucoup plus faible et une durée de vie plus longue. Les concepts de QECC ont été validés à petite échelle dans des laboratoires, mais leur mise en œuvre reste difficile. Tout d’abord, la mise à l’échelle du nombre de qubits est compliquée, quel qu’en soit le type. En effet, le nombre de qubits physiques nécessaires pour créer un seul qubit logique peut atteindre le millier. Et il faut au moins 100 qubits logiques pour créer un ordinateur quantique universel utilisable, ce qui équivaut à un système de 100 000 qubits physiques. À l’heure actuelle, nous n’en sommes qu’à une centaine.

L’informatique quantique, entre engouement et réalité

Les choses sont bien étranges au niveau quantique. Les objets quantiques agissent à la fois comme des ondes et des particules. Cependant, mesurer un objet quantique réduit la fonction d’onde, de sorte que l’observateur le voit comme une particule. Les objets quantiques peuvent également exister dans plusieurs états simultanément : c’est ce que l’on appelle la superposition. Ils peuvent également être intriqués avec d’autres objets quantiques.

Qu’est-ce que l’intrication quantique ? Ce phénomène implique que la mesure d’un objet affecte également l’objet intriqué, même s’ils sont éloignés l’un de l’autre. Les objets quantiques intriqués ont des états corrélés, mais aléatoires.

Ces comportements étant difficiles à comprendre et à expliquer, ils sont souvent décrits de manière trop simpliste. Par exemple, il est inexact d’expliquer qu’un qubit est « à la fois un 0 et un 1 ». Il est également peu probable que les ordinateurs quantiques soient toujours meilleurs et plus rapides que les ordinateurs classiques : pour certains types de problèmes, ces derniers représentent la meilleure option. Même dans le cas où les ordinateurs quantiques pourraient présenter un avantage, par exemple pour déchiffrer un cryptage, nous sommes loin d’être en mesure de construire un tel dispositif pour le moment.

Les ordinateurs quantiques actuels représentent une avancée considérable par rapport à leurs prédécesseurs. Mais ils n’ont pas encore prouvé leur efficacité pour résoudre des problèmes pratiques.

Alors quel est l’avenir de l’informatique quantique ? De nombreux chercheurs et fournisseurs industriels s’efforcent de franchir de nouvelles étapes. Cet élan se renforce également pour former la prochaine génération d’experts et de programmeurs en informatique quantique. Ces progrès devraient également stimuler la demande d’innovation dans des domaines comme le stockage cloud, le data mining et d’autres technologies.

OVHcloud et l’informatique quantique

OVHcloud fournit aux développeurs un accès cloud à toutes ces technologies grâce à des partenariats avec des startups quantiques, comme Pasqal et Quandela, ou des acteurs comme Atos. L’émulation, la simulation et les QPU seront bientôt déployés pour offrir un large choix qui permettra de contribuer à la création d’un écosystème quantique cohérent à l’échelle européenne.

« OVHcloud peut aider à construire un écosystème quantique cohérent à l’échelle européenne »
Octave Klaba, fondateur et président, OVHcloud

En partenariat avec l’entreprise, OVHcloud met l’émulateur quantique d’Atos à la disposition de ses utilisateurs en tant que service. Notre objectif est de rendre les technologies d’émulation quantique plus accessibles aux laboratoires de recherche, aux universités, aux startups et aux grandes entreprises qui cherchent à concevoir des logiciels quantiques et à explorer des applications pionnières avant le marché de l’informatique quantique.

Grâce à la technologie d’Atos, OVHcloud sera en mesure de proposer des solutions de calcul quantique par le biais de Jupyter Notebooks, offrant ainsi un accès facile aux développeurs qui s’appuiera sur les travaux des équipes d’intelligence artificielle d’OVHcloud.

Pour en savoir plus, n’hésitez pas à consulter l’annonce sur l’informatique quantique faite par Atos et OVHcloud.

Octave Klaba pour

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