Aux limites de l’innovation

Un ordinateur quantique, qu’est-ce que c’est ?

L’Intelligence artificielle, le deep learning, le big data -avides de puissance de calcul, relancent l’intérêt pour l’ordinateur quantique. Essayons de comprendre de quoi on parle.

 

Au début du XXe siècle, lorsque la science découvrit que les atomes étaient formés de particules encore plus petites (protons, neutrons, eux-mêmes composés de quarks), elle se rendit compte que les lois de la physique classique ne pouvaient pas décrire le comportement bizarre de ces « nouvelles » particules subatomiques. Émergèrent alors les théories qui allaient créer ce qu’on appelle aujourd’hui la physique quantique.

L’idée d’un ordinateur qui saurait mettre à profit les particularités de ces particules subatomiques n’est pas nouvelle. Depuis les années 70, le sujet interpelle les chercheurs, notamment parce que les ordinateurs de l’époque peinaient à simuler les phénomènes quantiques, eux-mêmes objet d’étude. La discipline a ainsi progressé et progresse encore, en même temps que la compréhension de la physique quantique sur laquelle elle s’appuie. Ces dernières années, des avancées significatives ont été réalisées en termes de coût de production.

Partenaires depuis 2015, Intel et QuTech mettent au point un ordinateur réellement quantique et non pas simulé.
(Credit: QuTech)

 

Les bits

Nos ordinateurs actuels s’appuient sur les propriétés semi-conductrices de certains matériaux, notamment le silicium. Leur mémoire a pour plus petite unité de calcul le bit. Un bit peut avoir deux valeurs distinctes, selon qu’il est soit chargé électriquement (1), soit déchargé (0).

Lorsqu’on interroge une mémoire pour connaître la valeur d’un bit, il n’y a donc que deux réponses possibles. En prenant l’exemple de pile ou face, c’est soit pile, soit face. Il n’y a pas d’état intermédiaire, la pièce ne peut pas être « pile mais un peu face aussi », c’est binaire (d’où le nom de bit, qui provient de binary digit). Bien qu’à une échelle électronique, on est encore dans le domaine de la physique classique.

 

Les qubits

Les ordinateurs quantiques eux, reposent sur les propriétés des particules subatomiques. On ne parle plus de bits, mais de quantum bits, qubits (ou qbits).

Ici, pas de silicium, d’autres types de matériaux sont testés. La physique quantique utilise des équations dans lesquelles entrent en jeu les probabilités. En gros, là où ce bon vieux bit est comparable à un système dont l’aiguille pourrait indiquer soit Horizontal, soit Vertical, dans un qubit, l’aiguille peut indiquer aussi l’infinité de positions intermédiaires. On appelle cela la « superposition quantique ». Ça ne veut pas dire que c’est à la fois 0 et 1, mais plutôt qu’on est face à une « combinaison linéaire ».

On parle de superposition quantique ou de superposition d’état, car l’aiguille a tel pourcentage de chance d’être dans cette position, tel pourcentage dans cette autre position, etc. (« indéterminisme de la mesure »). Mathématiquement parlant, l’aiguille est donc dans toutes les positions à la fois, mais à différents pourcentages de probabilité.

C’est comme si, pour connaître la position de l’aiguille, on devait demander, par exemple, « es-tu incliné à 60 degrés ? » et que le système réponde aléatoirement parfois oui, parfois non.

Notez bien que la réponse est aléatoire, mais ça n’est pas n’importe quoi : statistiquement, si le système est plutôt horizontal et qu’on pose plusieurs fois la question, la réponse sera plus souvent en faveur de Horizontal que de Vertical. Et si « l’aiguille » est entre les deux, à 45 degrés, il y aura la même proportion de réponses.

Pour débrouiller toutes ces probabilités, on bénéficie heureusement d’une autre particularité appelée « intrication quantique ». L’intrication fait que sous certaines conditions, plusieurs particules subatomiques peuvent être « liées » entre elles. Ce qui affecte l’une affecte l’autre : si la particule A donne aléatoirement 0, mais que l’on force une particule B avec qui elle est intriquée à donner le contraire, quand A donnera aléatoirement 1, on aura obligé B à donner 0, c’est-à-dire que sans avoir à l’interroger, ce qui changerait le résultat, on connait la valeur de B. Cela facilite le travail en parallèle de plusieurs qubit pour les calculs statistiques.

 

Quel intérêt ?

Pour découvrir le chemin d’un labyrinthe, un ordinateur classique essaie les chemins les uns après les autres. On parle d’informatique séquentielle. Un ordinateur quantique, lui, part d’un ensemble de probabilités dont il extrait un résultat selon des méthodes statistiques, et la réponse est instantanée. Ici, la superposition d’états, ce sont tous les chemins possibles ; reste à trouver la probabilité la plus forte. C’est un peu comme si l’ordinateur avait une vision globale du labyrinthe, d’où parfois l’utilisation de l’expression de calcul holistique (qui consiste à considérer les phénomènes comme des totalités).

Comparés aux ordinateurs classiques, les ordinateurs quantiques sont rapides, très rapides, d’autant plus qu’à chaque fois qu’on ajoute un qubit, leur puissance double ! Résultat, là où les processeurs actuels les plus performants peuvent effectuer près de 400 millions d’opérations par seconde, avec un ordinateur quantique, on parle d’ordre de grandeur de 1 million de milliards d’opérations par seconde !

Puce de 17 qubits à haute conductivité fournie par Intel à son partenaire QuTech, aux Pays-bas, conçue pour fonctionner à une température négative extrême (20 millikelvins, 250 fois plus froid que l’espace profond).
(Credit: Intel Corporation)

 

Demain tous quantique ?

Cette puissance brute dépasse largement celle des supercalculateurs actuels qui servent à modéliser des systèmes complexes (météorologie, design de molécules, etc.). Assez logiquement, les ordinateurs quantiques excellent aussi dès lors qu’il s’agit de modéliser les phénomènes quantiques ! C’est très intéressant, car on se rend compte depuis quelques années que les phénomènes quantiques interviennent également parfois au sein de systèmes beaucoup plus grands, notamment en biologie. Cela serait ainsi le cas pour le sens de l’odorat ou encore la photosynthèse.

La mise au point de machines est compliquée, sans même parler de langages, de systèmes d’exploitation. La dizaine d’ordinateurs quantiques actuellement existants sont encore expérimentaux. Chercheurs et constructeurs s’attellent à tester des particules quantiques (quantum) suffisamment stables dans le temps et ne nécessitant pas de fonctionner à des températures négatives extrêmes. Étonnamment, les ordinateurs quantiques opérationnels actuellement sont donc des ordinateurs classiques sur lesquels sont simulés des circuits quantiques, notamment en utilisant la puissance de calcul des GPU (Graphics Processing Unit) de cartes graphiques.

 

On aura de plus en plus besoin de traiter un nombre grandissant de variables, mais il est probable qu’informatique séquentielle et informatique quantique cohabiteront, sans oublier les composants neuromorphiques, à l’instar de la puce Loihi d’Intel. Dans quelle proportion ? Question de probabilité…

 

Cyrille Baron

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