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09 Kann 2018 | La Revue POLYTECHNIQUE
Le défi de l’ordinateur quantique: comment domestiquer le qubit
Michel Giannoni
La physique quantique, qui régit le monde des atomes et des particules, s’applique aussi à l’informatique. Les progrès réalisés dans le développement de l’ordinateur quantique, qui part à la conquête du monde industriel, sont réels. Il faudra toutefois encore parvenir à maintenir la cohérence des qubits pendant le temps nécessaire pour effectuer les calculs.
L’idée d’appliquer les propriétés des phénomènes quantiques aux ordinateurs a été émise pour la première fois en 1982 par le physicien Richard Feyman1. En 1994, Peter Shor, un chercheur de la société AT&T, a démontré qu’il est possible de factoriser des grands nombres à l’aide d’un calculateur quantique. Deux ans plus tard, l’informaticien indo-américain Lov Grover invente un algorithme utilisant un circuit de calcul quantique. En 1998, IBM présente, pour la première fois, un calculateur quantique de 2 qubits, qui est parvenu à simuler la structure moléculaire de l’hydrure de béryllium (BeH2).
Plus récemment, en octobre de l’an dernier, Intel a annoncé avoir mis au point un circuit de calcul quantique de 17 qubits et un mois plus tard, IBM déclare avoir réussi à faire fonctionner un calculateur de 50 qubits. Quant à Google, l’entreprise a déclaré vouloir mettre à disposition des logiciels dédiés à ces futures machines.

L’ordinateur quantique D-Wave System situé au laboratoire Burnaby en Colombie-Britannique. Il est représenté ici sans sa protection thermique. (Photo: Kim Stallknecht/The New York Times via Redux)
Ce qui le diffère d’un ordinateur classique
Un ordinateur classique est basé sur des semi-conducteurs qui fonctionnent sur des données binaires codées sur des bits, de valeur 0 ou 1, suivant qu’un courant électrique passe ou pas. En informatique, le bit est l’unité de mesure de base de l’information. Il peut représenter aussi bien une alternative logique, exprimée par «vrai ou faux», qu’un chiffre du système binaire.
Le calculateur quantique, quant à lui, utilise les propriétés quantiques de la matière, telle que la superposition2 et l’intrication3, afin d’effectuer des opérations sur des données. Il travaille sur des qubits, dont l’état quantique peut posséder plusieurs valeurs à la fois, à l’instar de l’état à la fois «mort et vivant» du chat de Schrödinger. Le qubit peut aussi être défini comme la somme de deux probabilités: celle que ce soit 0 plus celle que ce soit 1.
Une puissance phénoménale
En physique quantique, on n’est donc pas en présence de deux états, mais d’une infinité d’états. Cette faculté permet de générer des gains de puissance phénoménaux pour certains algorithmes adaptés à l’architecture de l’ordinateur quantique. Pour n qubits, la puissance de calcul serait de 2n.
Cette puissance de calcul dépend toutefois de l’état de superposition, qui est extrêmement fragile, si bien que la moindre interaction avec d’autres éléments – comme un rayonnement, une variation de température ou une poussière – peut entraîner une décohérence, c’est-à-dire une perte du caractère quantique. Pour conserver la puce son état de superposition quantique, il faut donc un vide extrêmement poussé et une température la plus proche possible du zéro absolu.
La technique de la puce retournée
L’entreprise Intel annonce avoir développé un processeur expérimental destiné à l’informatique quantique. Basé sur une nouvelle technique de fabrication – dite de la puce retournée –, ce processeur de 17 qubits a été confié à son partenaire QuTech qui en évalue les capacités. La principale innovation concerne l’environnement des qubits, qui permettrait d’en assurer la stabilité.
La technique de la puce retournée met face à face les surfaces pour les soudures. Un point de soudure est appliqué à chaque plot de liaison, puis la puce est placée à l’envers sur le circuit imprimé et l’on fait fondre la soudure. Ce procédé contribue à réduire l’inductance de la connexion et à stabiliser la puce à des températures de l’ordre de 20 mK, proches du zéro absolu. Il réduit également les interférences électromagnétiques entre les qubits.
Selon Intel, ce processeur peut émettre et réceptionner de dix à cent fois plus de signaux, que peut le faire une puce basée sur la technologie de câblage filaire (wire bonding), où les plots de liaisons sont reliés aux broches de connexion par des fils micrométriques.
Un processeur quantique de 50 qubits
En novembre dernier, IBM a déclaré avoir réussi à faire fonctionner dans ses laboratoires, un processeur quantique de 50 qubits pendant 90 µs, atteignant ainsi le seuil théorique de la suprématie quantique.4 Par ailleurs, l’entreprise a révélé qu’un ordinateur de 20 qubits serait prochainement mis sur le marché. Le seuil de 50 qubits est celui à partir duquel certains calculs quantiques seraient bien plus rapides que ceux réalisés par un ordinateur classique.
Deux grands problèmes restent à résoudre
Deux grands défis au moins restent à relever pour que la technologique basée sur les ordinateurs quantiques révolutionne l’informatique de demain.
Le premier est celui de la décohérence, à savoir la transition entre un système quantique et un système classique. Le problème majeur est que la physique quantique admet des états superposés – comme dans la parabole du chat de Schrödinger –, alors que la physique classique – celle sur laquelle sont basés nos ordinateurs actuels – ignore totalement ce phénomène. La théorie quantique tient compte de cette non-observabilité des états superposés en stipulant que tout acte d’observation sélectionne instantanément un seul état parmi l’ensemble des états superposés possibles. D’autres problèmes interviennent dans la décohérence, comme celui du déterminisme ou de la non-localité.
Le second défi est de pouvoir disposer d’un nombre suffisamment important de qubits, afin d’être capable de construire des machines de plus en plus puissantes. L’objectif est donc de dépasser le seuil de 50 qubits.
Un test en physique nucléaire
Afin de permettre à des physiciens de programmer des ordinateurs quantiques afin de pouvoir les utiliser pour leurs expériences, une équipe de chercheurs du laboratoire national d’Oak Ridge, dans le Tennessee, a eu recours à la plate-forme en ligne «IBM Quantum Experience» donnant accès au processeur quantique d’IBM contenant 16 qubits, ainsi qu’à la machine 19Q de l’entreprise de Berkeley Rigetti Computing, qui possède 19 qubits.
L’objectif était de démontrer que les ordinateurs quantiques sont plus performants que les ordinateurs classiques pour simuler et calculer le comportement de systèmes quantiques, en l’occurrence pour calculer l’énergie de liaison d’un proton avec un neutron dans un noyau de deutérium (un isotope de l’hydrogène dont le noyau comporte un neutron). Ces deux processeurs quantiques en ligne ont permis de calculer cette énergie de liaison avec un écart de l’ordre de 2 % par rapport à la valeur connue de longue date.
Des circuits quantiques sont donc déjà utilisés pour des simulations de mécanique quantique et de physique des particules, fonction pour laquelle Richard Feynman les avait imaginés.
Vers une confidentialité absolue
Si les transmissions quantiques se généralisaient dans l’avenir, elles pourraient assurer une confidentialité absolue. En effet, on ne peut pas effectuer de copie exacte de l’état intriqué d’un qubit. Si un nœud intermédiaire tente de copier une requête quantique, il la perturbera et l’émetteur de la requête pourra détecter cette perturbation.
Les ordinateurs quantiques pourraient également déterminer l’état de plus basse énergie – ou état non excité – de molécules, afin de permettre de définir, par exemple, la structure et la fonction des protéines beaucoup plus rapidement qu’aujourd’hui. La chimie et la médecine devraient ainsi bénéficier considérablement du développement des calculateurs quantiques.
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Richard Phillips Feynman (1918-1988) est un physicien américain célèbre pour ses travaux sur l’électrodynamique quantique, les quarks et l’hélium superfluide. Il a reformulé la mécanique quantique et inventé les diagrammes qui portent son nom; ceux-ci sont toujours largement utilisés en théorie quantique des champs. Pendant la Seconde Guerre mondiale, il fut impliqué dans le développement de la bombe atomique.
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Selon le principe de superposition, un même état quantique peut posséder plusieurs valeurs. Ce principe résulte du fait que l’état d’un système quantique (une particule ou un atome, p. ex.) est représenté par un vecteur qui peut être décomposé en une combinaison de vecteurs.
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L’intrication quantique est un phénomène dans lequel deux particules ont des états quantiques dépendant l’un de l’autre, quelle que soit la distance qui les sépare. L’intrication quantique a des applications potentielles dans les domaines de l’information quantique, tels que la cryptographie quantique, la téléportation quantique ou l’ordinateur quantique.
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La suprématie quantique désigne le nombre de qubits au-delà duquel aucun ordinateur classique n’est capable de gérer la croissance exponentielle de la mémoire ni la bande passante de communication nécessaire pour simuler son équivalent quantique.