L’informatique quantique

Publié par Luc Martin

L'informatique quantique

C'est au début des années 1980 que Richard Feynman commence à aborder le sujet de l'ordinateur quantique. Aujourd'hui, de grands acteurs informatiques tels que Google, IBM, Microsoft s'y intéressent et entreprennent dans l'informatique quantique. Net-Pack vous présente et vous explique de manière simple le fonctionnement de l'ordinateur quantique et pourquoi a-t-il été développé.

Comment fonctionne un ordinateur classique ?
Le savez-vous peut être, un ordinateur classique est composé de circuits électroniques et manipule l'information sous forme binaire avec deux états possibles : des 0 et des 1 appelés "bits". Un ordinateur effectue des algorithmes en utilisant un certain nombre de données en entrées et qui fournissent des sorties pour arriver à un résultat final. Cependant, un ordinateur classique ne peut pas résoudre tous les problèmes alors les ingénieurs cherchent comment rendre une machine plus puissante. Une manière de faire cela est d'augmenter le nombre de transistors. Mais nous allons voir, avec la loi de Moore, que cette technique a des limites.

Que dit la loi de Moore ?
En 1965, Gordon Moore (physicien et cofondateur de la société Intel), s'est intéressé à la puissance des ordinateurs. Il part du principe que le nombre de transistor, le principal composant d'un processeur, double tous les deux ans, doublant également la puissance de calcul des appareils (cycle qui va être réduit à 18 mois par la suite). En 1971, le premier microprocesseur disposait de 2 300 transistors. Fin 2017, un processeur contient plus d'un milliard de transistors mesurant 10 nanomètres (soit à peu près 10 000 fois plus petit qu'un cheveu). Ainsi, pour réussir à stocker des millions de transistors leurs tailles sont miniaturisées.
Cependant, cette loi, fait face à une limite quasiment atteinte aujourd'hui : celle de la limite physique. En effet, à un moment donné les transistors ne pourront plus être réduits. Ils seront tellement petits que les électrons servant à transporter les informations entre les différents éléments électroniques ne seront plus réguliers (c'est ce qu'on appelle "l'effet tunnel"*).
Ainsi, de nombreux laboratoires effectuent des recherches sur la technologie qui permettra de remplacer le micro-processeur actuel. Aujourd'hui, pour faire face à cette limite de taille, la piste la plus probable est l'utilisation de la physique quantique.
* En savoir plus sur l'effet tunnel.

Qu'est-ce que l'informatique quantique ?
Un des pères fondateurs de la mécanique quantique, Richard Feynman, s'est rendu compte que dans l'infiniment petit, la matière pouvait se retrouver dans un état indéterminé avant sa mesure. Ainsi, contrairement à l'ordinateur classique qui a deux états possibles, l'ordinateur quantique en a une infinité.
Il est important d'identifier deux notions pour expliquer la physique quantique : la superposition et l'intrication.

Le principe de superposition signifie que les atomes et les particules subatomiques peuvent être dans plusieurs positions, à plusieurs endroits et dans plusieurs états en même temps.
L'intrication correspond au lien qu'il existe entre deux particules. Ainsi, une action émise sur une particule affecte une seconde même si celles-ci sont très éloignées.

Ces deux phénomènes permettent de donner toute la puissance à l'ordinateur quantique. Ces derniers utilisent des "quantum bits" (appelé également "qubits") pour traiter l'information. Avec le phénomène de la superposition, un qubit peut être soit dans l'état 0, soit dans l'état 1 ou soit dans une superposition de 0 et 1, représentant ainsi une infinité d'état.
De plus, la puissance de calcul est exponentielle, c'est à dire qu'à chaque qubits ajouté, on double la puissance de calcul. Par exemple, un ordinateur quantique à 4 qubits calculera 16 fois (2 puissance 4) plus vite qu'un ordinateur classique à 4 bits.
Enfin, un ordinateur quantique calcule toutes les possibilités qui s'offrent à lui en même temps. Il va donc sortir une réponse avec une certaine probabilité. Celle-ci peut être diminuée en répétant l’algorithme.

Quels sont les défis à relever ?
L'informatique quantique va servir à dépasser les limites présentes dans les ordinateurs dits "traditionnels". Ils servent à optimiser les situations et à résoudre des problèmes inaccessibles avec la technologie actuelle. Cependant, les ordinateurs quantiques font face à de nombreux défis à relever. Aujourd'hui, les ordinateurs quantiques existent mais ils ne peuvent répondre généralement qu'à un seul type de problème. L'enjeu des prochaines années est de créer une machine quantique universelle pouvant faire marcher tous les algorithmes possibles.

Technologique
L'ordinateur quantique est très difficile à mettre en place car il faut que les états arrivent à garder une cohérence entre eux. Cependant, cette dernière est fragilisée dès que les objets grandissent. Ainsi, dès que l'on augmente le nombre de qubits, ceux-ci perdent en précision et entraîne une grande perte d'information. C'est ce qu'on appelle la "décohérence quantique". C'est pour cela qu'il est encore, en partie, très difficile de créer un ordinateur avec beaucoup de qubits. Ensuite, il existe un autre défi technologique concernant les logiciels, programmes et algorithmes. En effet, ceux-ci ne sont pas adaptés pour fonctionner avec des ordinateurs quantiques. Ainsi, il faudrait reprendre depuis le départ l'ensemble des logiciels pour qu'ils bénéficient de la puissance des calculateurs quantiques. Pour l'instant, les algorithmes sont très peu nombreux et très différents de ceux utilisés pour un ordinateur classique.

Physique
Le développement des ordinateurs quantiques est ralenti par des limites physiques. En effet, les qubits doivent être isolés pour assurer leur bon fonctionnement. Il faut savoir que les ordinateurs quantiques sont très sensibles aux ondes électromagnétiques, à la lumière et à la température qui peuvent modifier leur état. Ils doivent se trouver dans des boîtes qui réduisent le champ magnétique jusqu'à 50 000 fois et refroidi à des températures très basses (proche du zéro absolu). De plus, en physique quantique, les résultats des mesures dépendant en partie du hasard. On parle alors "d'indéterminisme". Il n'y a aucun moyen de savoir à l'avance quel va être le résultat de la mesure.

Cybersécurité
Un autre défi à relever lors du développement des calculateurs quantique concerne la cybersécurité. En effet, les ordinateurs quantiques ont une puissance de calcul très importante et seraient capables de déchiffrer des codes très complexes. Par exemple, l'algorithme de Shor, qui permet de factoriser un nombre entier naturel en nombres premiers, pourrait déchiffrer en quelques secondes le chiffrement RSA (utilisé pour les transactions bancaires) alors qu'il prend, avec un superordinateur, plusieurs années. Mais si l'ordinateur quantique est capable de déchiffrer en très peu de temps, nous pouvons également penser qu'il soit capable d'utiliser des techniques de chiffrement beaucoup plus avancées qu'un ordinateur classique et ainsi renforcer la sécurité informatique.

Les défis à relever sont considérables et notamment en termes de sécurité informatique.

L'informatique quantique et plus particulièrement l'ordinateur quantique reste une technologie encore expérimentale. Pour atteindre le véritable potentiel d'un ordinateur quantique, il faudrait qu'il soit constitué de millions de qubits, chose encore impossible pour l'instant.
Les possibilités du quantique sont très vastes et pas seulement dans le domaine de l'informatique. L'ordinateur quantique permettrait d'avancer également dans les domaines de l'intelligence artificielle, de la météo, de la santé, etc.
Mais la physique quantique a encore plein d'inconnu. Elle reste très compliquée à appréhender et difficile à comprendre. Richard Feynman a dit " Je crois pouvoir affirmer sans me tromper que personne ne comprend la mécanique quantique".

Publié le 09-08-2018