La construction d'un ordinateur quantique : au-delà des coups de pub, un joli casse-tête

La construction d'un ordinateur quantique : au-delà des coups de pub, un joli casse-tête

On vous en parlait l'été dernier : en démultipliant le potentiel de calcul des systèmes d'IA, les futurs ordinateurs quantiques pourraient bien révolutionner de nombreux secteurs industriels, de la santé à la chimie, en passant par l’industrie, la sécurité informatique, les voitures autonomes, l’énergie, ou encore les transports et la gestion du trafic.

Alors que les ordinateurs classiques arrivent au bout des performances atteignables (encore 10 ans et ils ne pourront plus évoluer) avec leurs microprocesseurs et leurs données codées en chiffres binaires, leur version quantique utilise des "qubit", un superconducteur qui ne répond pas aux lois physiques classiques, et qui peut être a plusieurs endroits en même temps, permettant ainsi de réaliser des calculs parallèles, en simultané, et non de manière séquentielle. Autrement dit, les ordinateurs quantiques permettraient de réaliser des calculs complexes, irréalisables avec les machines actuelles, avec une rapidité confondante.

Quand pourrons-nous utiliser ces machines, chez nous ou au travail ? Ces calculateurs surpuissants se font encore attendre. Actuellement, chez les constructeurs informatiques, c'est la course à celui qui sortira le plus vite un véritable ordinateur quantique, opérationnel, dans sa version commerciale. Et comme dans toute course, les effets d'annonce et les grandes phrases sont légion.

En 2011, déjà, la société D-Wave annonçait avoir réalisé le premier calculateur quantique, équipé d'un processeur 128-qubit - mais cette machine n'était en réalité pas totalement quantique, et ne s'est finalement pas révélée plus rapide qu'un ordinateur classique. Ainsi, ses performances se limitaient-elles au "recuit quantique" - une forme d'informatique quantique qui aide à résoudre des types de problèmes très spécifiques, comme l'optimisation. Loin d'un ordinateur quantique "universel" capable de surpasser un ordinateur classique en vitesse et en capacités sur tous les fronts, le D-Wave One a ainsi un usage restreint à certains problèmes très complexes - des problèmes d’optimisation.

 

 



La course à l'ordinateur quantique "universel"

 

Duis, les entrrises de la tech planchent sérieusement sur le sujet, de Google à Microsoft, en passant par IBM et Intel, avec l'idée d'aller plus loin et de créer de véritables ordinateurs quantiques universels, avec un processeur d'une centaine de qubits physiques. Chacun explore une voie différente, procédant par tâtonnements… mais semble, pour l'instant, un peu patiner. Car avant d’être réellement opérationnels et de s’appliquer dans notre quotidien, les concteurs d’ordinateurs quantiques devront franchir un obstacle majeur : les problèmes de décohérence et de complexité croissante des dispositifs, lorsque le nombre de qubits augmente.

Google mène plusieurs projets de front - avec l’université de Santa Barbara et la NASA. En mars dernier, le géant du Web a présenté son projet : Bristlecone, un processeur quantique avec 72 qubits, qui devrait à terme, espère-t-il, atteindre la "suprématie quantique". Soit la capacité (encore théorique) d’un ordinateur quantique à réaliser des calculs inaccessibles à un ordinateur classique.

IBM, de son côté, multiplie les annonces sensationnelles. En novembre 2017, il présentait un prototype de 50 qubits. En janvier dernier, au CES 2019, il dévoilait le premier système quantique sous la forme d’un ordinateur, le Q System One. Avec un look futuriste, la machine, qui ressemble à un cube de verre, rose sur une ingénierie cryogénique de refroidissement et une puce quantique de 20 qubits, et serait la première fonctionner en dehors d'un laboratoire de recherche - ses éléments n'étant pas répartis dans plusieurs vastes salles de labo. En outre, son usage est censé être scientifique, mais aussi "commercial", selon son constructeur.

Mais pour l'heure, il n'existe qu'un seul exemplaire du Q System One, qui coûte forcément une fortune. Et plutôt que de vendre très cher une machine nécessitant de nouvelles architectures matérielles, un environnement très froid en continu (et ultra-contrôlé) ainsi que les services d'une armada de développeurs, IBM envisage plutôt de louer sa puissance de calcul sur le cloud, aux scientifiques et aux entrrises. Une fois que l'entrrise aura ouvert son premier "centre de calcul quantique", à la fin de l'année 2019, si tout se passe bien. En outre, 20 qubits sont encore loin d’être suffisants pour tous les usages imaginés dans le cadre de l'utilisation d'un véritable "quantum computer". Il s'agit donc plus d'un coup de pub de la part d'IBM et d'un prototype de recherche, que d'un véritable ordinateur quantique "universel", capable de résoudre toutes les énigmes de l'univers…

 



Au-delà des coups de pub, un bien joli casse-tête

 

Je vous épargnerai des explications un tantinet complexes, mais pour l'heure, Google et IBM se concentrent sur une machine fonctionnant grâce à des qubits "supraconducteurs" - une technologie de qubits qui permet de réaliser des calculs très rapidement, mais qui comporte un taux d’erreurs très important, trop pour qu'ils puissent être proches de ceux du qubit quantique que l'on retrouve dans les théories mathématiques, le "qubit logique". Pour y arriver, il faudrait, estiment les constructeurs, utiliser plus d’un million de qubits physiques, qui nécessiteraient des capacités démesurées de refroidissement. En outre, le taux d'erreurs empêche la puissance de calcul disponible d'augmenter réellement à mesure que des qubits sont rajoutés. Bref, un bien joli casse-tête, qui rend très difficile la sortie pour demain d'un ordinateur quantique commercial et réellement opérationnel, qu'il soit à usage professionnel, scientifique ou (soyons fous) grand public.

Intel, qui a a dévoilé lors du CES 2018 un processeur à 49 qubits conçu avec l'université hollandaise de Delft, travaille actuellement sur une autre voie technologique - les qubits en silicium, qui nécessiteraient d'être refroidis à une température moins basse, et qui seraient donc plus facilement utilisables. Mais la manipulation de ces qubits en silicium demeure très, très, complexe.

De son côté, Microsoft mise sur une autre technologie - les qubits basés sur les fermions de Majorana, ou "qubits topologiques", qui sont en théorie moins sensibles à la décohérence (principe qui veut qu'une valeur soit arrêtée dès qu'un qubit est observé), et qui ont une vitesse de calcul équivalente à celle des qubits supraconducteurs - ils sont donc très proche de réels "qubits logiques". Mais passer de la théorie à la pratique prend évidemment du temps. Ainsi le géant de la tech promet de sortir un jour, bel et bien, un "vrai" ordinateur quantique "fonctionnel", mais pas avant 2023, minimum. En outre, comme IBM, Microsoft prévoit de mettre son ordinateur quantique à disposition de ses clients (pour la réalisation de calculs et la résolution de problèmes) via les nuages - à travers Azure, sa plateforme de cloud computing.

D'autres projets d'ordinateurs quantiques existent ailleurs dans le monde - en France, avec Atos, qui planche sur le sujet avec le CNTS et le CEA (sa "Quantum Learning Machine" serait le simulateur quantique le plus performant au monde), mais aussi au sein de trois instituts de recherche grenoblois ; en Chine, où des chercheurs explorent une autre technologie, les qubits photoniques ; ou encore en Angleterre, où 9 universités construisent un "ordinateur quantique à but commercial", en misant sur les "ions piégés" - des qubits piégés par un champ électromagnétique, plus cohérents… bien que plus lents.


 



Une tâche impossible ?

 

Peu importe finalement de savoir quelle équipe accouchera la première d'un réel ordinateur quantique : nous sommes bel et bien encore très loin de pouvoir un jour utiliser cette technologie, en dépit des effets d'annonce. Les chercheurs eux-mêmes avouent ne pas "tout comprendre" de la mécanique quantique. Et même s'ils pensent pouvoir malgré tout utiliser les qubits pour autre chose que de la recherche en laboratoire, il semble que l'informatique quantique a toute les chances pour rester encore pendant quelques années au stade de la recherche expérimentale.

Dans le magazine Scientific American, certains "sctiques" considèrent même quel serait "impossible" de construire un ordinateur quantique "pratique". Mikhaïl Dyakonov, physicien théoricien à l'Université de Montpellier, pense par exemple que les ingénieurs "ne pourront jamais contrôler tous les paramètres continus qui sous-tendraient un ordinateur quantique, même avec seulement 1000 qubit". Ainsi, corriger les erreurs nécessite de gérer aussi de potentielles "perturbations", émanant d'un nombre de paramètres quasi infini. "A ce stade, je dis que c'est impossible parce qu'ils sont trop nombreux et que vous ne pouvez pas tous les garder sous votre contrôle," explique le chercheur dans la revue américaine.

Reste la "course" en elle-même : est-ce bien sérieux de se précipiter ainsi ? Comme l'écrit dans VentureBeat le chercheur Christopher Monroe, professeur de physique à l'Université du Maryland et cofondateur de la startup IonQ, "l'informatique quantique est un marathon et non un sprint". Selon lui, outre le fait "qu'il faut une précision extrême et des conditions extrêmes pour isoler et contrôler les qubits", si d'ici 2025 "ces machines effectueront certains calculs qui ne seraient pas possibles avec des ordinateurs ordinaires", il pourrait fort bien "s'écouler 5 à 10 années de plus, avant que l'une d'entre elles ait la capacité et la précision nécessaires pour résoudre des problèmes utiles". Et même dans 15 ou 20 ans, "vous n'aurez probablement pas d'ordinateur quantique sur votre bureau ou dans votre poche", ajoute-t-il. Désolé, mais les smartphones quantiques, ce n'est vraiment pas pour demain. À la place, à supposer, donc, qu'un réel ordi quantique sorte, "vous pourriez commencer à avoir de meilleurs médicaments, des matériaux plus souples, ou des services fonctionnant plus efficacement". Ce qui ne serait déjà pas si mal, non ?


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