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Pôle d’excellence cyber
42 - référentiel CYBER V6.1 - Février 2021
Février 2021 - référentiel cyber V6.1 - 43
B.7.1 _Introduction, calculs quantiques
Le calcul quantique promet d’exploiter les phénomènes de la physique quan-
tique pour effectuer des tâches de traitement de l’information. Cette direction 
est particulièrement intéressante d’un point de vue théorique.
D’une part, elle constitue une rupture fondamentale dans l’histoire de l’infor-
matique: tous les autres dispositifs de calcul proposés jusqu’ici, qu’ils soient 
numériques ou analogiques, mécaniques ou électroniques, sont basés sur les 
règles de la physique classique.
D’autre part, le potentiel par rapport au calcul classique est établi: pour cer-
tains problèmes, on connaît un algorithme quantique de meilleure complexi-
té asymptotique que les algorithmes classiques connus. En particulier, l’algo-
rithme quantique de Shor remet en cause une grande partie de la cryptographie 
actuelle en promettant de factoriser des nombres en temps polynomial.
Par opposition aux bits déterministes d’un ordinateur actuel, les ordinateurs 
quantiques manipulent des qubits qui possèdent chacun un état probabiliste 
entre 0 et 1, on parle aussi de superposition d’états. A la manière du fameux 
chat de Schrödinger qui est à la fois mort et vivant, les qubits, bien que géné-
ralement initialisés à 0, vont être à la fois 0 et 1 lors les calculs effectués sur un 
ordinateur quantique, avant de prendre selon certaines probabilités la valeur 0 
ou 1 au moment de la lecture de ceux-ci. Cependant, ce n’est pas directement 
dans la richesse de la superposition d’états que réside la force de l’ordinateur 
quantique, mais plutôt dans sa capacité à intriquer un grand nombre de qubits 
qui partagent alors un même état quantique indissociable. Par ce phénomène, 
la lecture de l’un de ces qubits aura instantanément un effet sur les autres, ce 
qui permet, dans certains cas seulement, d’explorer en un temps linéaire un 
nombre exponentiel de possibilités.
Si l’ordinateur quantique relève toujours de la science-fiction dans l’inconscient 
collectif, les développements récents montrent que le concept est viable. De-
puis 2016, IBM met un prototype en libre accès à disposition des program-
meurs. Google prévoyait en 2017 une rentabilité commerciale dans des do-
maines de niche dans les 5 ans, et annonce la suprématie quantique par un 
calcul sur un ordinateur à 54 qubits. En France, Atos construit des simulateurs 
d’ordinateurs quantiques.
Ces développements concrets promettent de mettre finalement en application 
les travaux théoriques menés depuis les années 1990 sur le calcul quantique.
Néanmoins, il existe un gouffre entre les capacités des architectures quan-
tiques envisageables dans un futur proches et les prérequis des algorithmes 
quantiques. Pour le combler, il faudra non seulement des progrès dans les ca-
pacités du matériel, mais aussi réduire nos ambitions sur les applications et les 
couches logicielles dans un premier temps.
En effet, les ordinateurs quantiques de première génération restent très limi-
tés. On atteint aujourd’hui une cinquantaine de qubits utilisables, mais ceux-ci 
sont très sensibles au bruit. Par exemple, les auteurs de l’expérience de supré-
matie quantique de Google estiment à 0,2% seulement la chance de succès 
d’un calcul qui implique 53 qubits et opère 1113 opérations sur des qubits indi-
viduels, 430 opérations sur des paires de qubits ainsi que 53 mesures.
Malgré ces limitations, il est crucial de considérer dès maintenant la pro-
grammation de ces ordinateurs quantiques. En effet, l’industrie vise ac-
tuellement une rentabilité à court terme des ordinateurs quantiques sur 
quelques applications ciblées.
En cas de succès, cela permettra de justifier des investissements impor-
tants qui permettront d’envisager des applications plus ambitieuses.
À l’inverse, un échec de la première génération d’ordinateurs quantiques à 
être utilisables provoquerait certainement un désintérêt pour le domaine 
et un « hiver quantique » à l’instar de l’hiver de l’IA.
Compilation pour le calcul quantique
Les enjeux actuels consistent non seulement à développer les capacités 
du matériel quantique, mais aussi à adapter les environnements logiciels 
pour les capacités modestes de la première génération d’ordinateurs 
quantiques. 
Ce domaine de recherche encore peu exploré mais en croissance rapide 
consiste à revisiter l’architecture des ordinateurs, des systèmes, et la com-
pilation pour l’adapter au nouveau contexte du calcul quantique. En parti-
culier, le calcul quantique demande de revisiter en profondeur les environ-
nements de compilation, qui se trouvent à l’interface entre l’algorithmique 
et le matériel.
Gestion du bruit
En l’absence de mécanisme de correction d’erreur, le temps d’exécution 
d’un programme quantique est limité par le bruit et le phénomène de dé-
cohérence. 
Plus un programme quantique met de temps à s’exécuter et plus il opère 
d’opération, moins son résultat est précis.
Les optimisations de compilation minimisant le temps d’exécution et la 
complexité du calcul sont donc cruciales, non seulement pour la vitesse 
mais surtout pour la précision.
Les codes correcteurs d’erreurs quantiques représentent un champ de re-
cherche actif qui promet à long terme de pallier à ces limitations. Cepen-
dant, le surcoût imposé par la plupart des techniques de correction d’erreur 
rend leur emploi rédhibitoire sur les premières générations d’ordinateurs 
quantiques. Il est probable qu’il faille se contenter de techniques de miti-
gation d’erreur ou de correction partielle d’erreur à court et moyen terme.
Au niveau langage, il faudra permettre de spécifier des algorithmes par-
tiellement tolérants au bruit, afin de profiter de codes correcteurs d’erreurs 
à couverture partielle.
B.7 
Émergence 
des technologies 
quantiques en 
cybersécurité