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Le rendez-vous de l'innovation #8

20 octobre 2021

L’ordinateur quantique - quantum computer

Un plan d’ 1,8 € Mds sur l’ordinateur quantique est lancé par la France pour concurrencer la Chine et les Etats-Unis sur cette technologie. Mais savons-nous bien en quoi celle-ci consiste ?

Qu’est-ce qu’un ordinateur quantique ?

Un ordinateur quantique est l'équivalent d’un ordinateur classique qui effectue ses calculs en utilisant directement les lois de la physique quantique et, à la base, celle dite de superposition des états quantiques.

Les ordinateurs traditionnels reposent sur des données binaires, codées par des bits dont la valeur est nécessairement 0 ou 1 (selon le passage ou non de courant électrique à travers un transistor). L’ordinateur quantique utilise, quant à lui, des unités de données que l’on appelle qubits, qui adoptent en quelque sorte les valeurs 0 et 1 simultanément.

Dans certains cas, un ordinateur quantique peut faire des calculs beaucoup plus rapidement qu'un ordinateur classique. Il faudrait toutefois disposer pour cela d'un très grand nombre de qubits. Or, cela ne va pas de soi. Car plus ce nombre est grand, plus la superposition des états quantiques est instable et peut disparaître avant que le calcul demandé ne soit mené à terme. Des petits calculateurs quantiques ont été construits à partir des années 1990.

Une puissance de calcul 100 millions de fois plus rapide qu'un ordinateur conventionnel

Il existe de nombreux supercalculateurs quantiques à travers le monde : le n°1 le japonais Fugaku, peut effectuer 442 millions de milliards de calculs par seconde, alors que les ordinateurs traditionnels, qui utilisent des bits, sont limités parce qu’ils traitent l’information de façon séquentielle. Face à un problème à variables multiples, ils doivent effectuer un nouveau calcul dès lors que l’une des variables est modifiée ; chaque nouveau calcul suit un cheminement unique, qui aboutit à un résultat unique. Un processus très chronophage.

L’ordinateur quantique, en revanche, grâce aux phénomènes de superposition et d’intrication, est capable d’effectuer une série d’opérations, en tenant compte des probabilités de chaque résultat (favorisant les « bonnes réponses », par rapport aux « mauvaises »). Il peut donc en théorie avoir accès à la totalité des résultats possibles d’un calcul en une seule étape. C’est justement cette capacité à emprunter plusieurs chemins simultanément qui constitue tout l’intérêt de ces ordinateurs par rapport aux systèmes classiques.

Principe de fonctionnement des calculateurs quantiques

Le fonctionnement des calculateurs quantiques est déterministe alors que la mécanique quantique est surtout connue pour son aspect probabiliste. Un circuit de calcul, ou une position de mémoire, quantique pourrait être implémenté à partir de toute particule pouvant avoir deux états à la fois excité et non excité au même moment. Ils peuvent être construits à partir de photons présents à deux endroits au même moment, ou à partir de protons et de neutrons ayant un spin positif, négatif ou considérés avoir les deux en même temps tant qu’ils ne sont pas observés.

Ce "brouillard de valeurs" ne prend un sens que si l'on peut établir un calcul en le faisant converger vers un état déterministe.

Les obstacles techniques

Malgré les avancées réalisées en informatique quantique, plusieurs difficultés restent à résoudre pour espérer un jour disposer d’un tel ordinateur, notamment :

La décohérence : Plus le nombre de qubits d’un ordinateur quantique est grand, plus la quantité d’opérations menées en parallèle sera importante et donc, plus grande sera sa vitesse de calcul. Mais la multiplication des qubits entraîne une certaine instabilité au niveau de la superposition et de l’intrication des états quantiques, qui sont particulièrement sensibles à l’environnement. Cette décohérence affecte l’état de superposition et peut conduire à des erreurs de calculs.

La limite de la longueur de cohérence : Il existe une limite à la durée pendant laquelle les qubits peuvent conserver leurs propriétés quantiques avant que des erreurs ne viennent perturber le calcul. Pour réduire ce risque, il faut donc disposer de qubits avec une longueur de cohérence la plus élevée possible.

À ce jour, les quelques systèmes quantiques qui existent sont incapables de gérer les centaines de millions de qubits qui constituent (en théorie) la base d’un ordinateur quantique universel. Selon les experts, il est encore trop tôt pour prédire à quel moment un ordinateur quantique utilisable sera disponible.

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