L’ordinateur quantique : nouveau paradigme de l’informatique

L'ordinateur quantique : nouveau paradigme de l'informatique
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L’ordinateur quantique est considéré par beaucoup comme le prochain paradigme de l’informatique.

Mais avant de plonger au coeur du sujet, il est important d’avoir une certaine compréhension de la physique quantique. Alors rassurez vous, le but de cette vidéo n’est pas de vous expliquer la physique quantique pour vous faire passer une thèse dans le domaine. Il s’agit surtout de comprendre les quelques facteurs clés qui permettent aux ordinateurs quantiques d’être si prometteur.

1) La physique quantique en quelques minutes

Dans le monde de la physique, il existe deux branches. La physique relativiste qui décrit les phénomènes et les lois de l’univers à l’échelle macroscopique et l’infiniment grand. Et la physique quantique, qui décrit les phénomènes et les lois à l’échelle atomique, l’infiniment petit. En gros, pour expliquer le fonctionnement du système solaire, on utilise la physique relativiste, et pour expliquer le fonctionnement des électrons, on utilise la physique quantique. Pour l’instant, ces deux branches ne s’aiment pas trop. Elles ne fonctionnent pas ensemble dans une seule théorie décrivant aussi bien l’infiniment petit, que l’infiniment grand. Trouver cette théorie est le saint Graal de la physique. Et même si on a des pistes (Théorie des cordes, supersymétrie, gravitation quantique), aucune ne fait l’unanimité. Cependant, chaque branche fonctionne de manière remarquable et permet de prédire de nombreux phénomènes. Notre compréhension de la physique quantique a permis l’invention du laser, des microprocesseurs, et de tout un tas de technologie qui ont façonné le monde moderne. Mais quand je dis compréhension, c’est entre guillemets. Car aujourd’hui, si un physicien vous dit qu’il comprend la physique quantique, c’est surement qu’il exagère un peu. Le monde quantique est tellement contre-intuitif et juste… Bizarre que personne ne comprend vraiment le fin mot de l’histoire. Et cette confusion est utilisée par certains pour émettre des théories new age sur le fonctionnement de l’univers et il y a énormément de raccourcis qui sont pris pour vendre des bouquins pseudo-scientifiques dont je ne ferai pas la liste ici.On va parler de 2 choses en particulier qui défient notre expérience quotidienne de la réalité et qui jouent un rôle majeur dans la création d’un ordinateur quantique.

La superposition quantique

L’eau peut être sous plusieurs états. Solide, liquide ou gazeux. Maintenant, imaginer un verre d’eau sur la table qui se trouve à l’état liquide ET à l’état solide. Pas évident pour le boire, mais surtout, impossible n’est-ce pas ? Certes, ce n’est pas le genre de chose que l’on voit souvent, mais c’est pourtant un phénomène courant dans le monde subatomique. Des particules, comme les photons qui composent la lumière, peuvent être simultanément dans plusieurs états. Mais ce principe de superposition concerne n’importe quelle valeur attribuée à une particule. Position, spin, mouvement. On a donc une particule qui peut se
trouver à un nombre potentiellement infini d’endroits dans l’espace jusqu’à ce qu’on la mesure. La superposition cesse et on obtient une valeur unique. La superposition ne correspond à rien de connu en physique classique, et semble ne pas subsister à l’échelle macroscopique. C’est bien pour cette raison que ça défie la logique et l’expérience de pensée du chat de Schrodinger nous le montre bien avec un chat qui se retrouve à la fois mort ET vivant, tant qu’on n’a pas vérifié.

L’intrication quantique

C’est  un phénomène ou deux particules maintiennent une sorte de connexion, peu importe la distance qui les sépare. Elles sont dépendantes l’une de l’autre de manière simultanée, ce qui semble violer le principe de localité et également la limite universelle de la vitesse de la lumière. Pour comprendre, voici un exemple à l’échelle macroscopique. Imaginez deux toupies qui sont connectées entre elles par wifi ou Bluetooth, peu importe. Donc avec ces toupies high-tech, lorsque vous tournez la première de gauche à droite, l’autre se met aussi à tourner dans le même sens. Super cool ! Okay, mais ce que nous dit la physique quantique, c’est que si vous placez la deuxième toupie très très loin, on va dire sur une planète dans la galaxie d’Andromède à 2.5 millions d’années-lumière, et que vous tournez la première toupie sur Terre, la deuxième va tourner dans le même sens. Mais c’est impossible, car il y a 2.5 millions d’années qui les séparent. Comment le signal, l’information peut voyager de la toupie 1 à la toupie 2 instantanément ? Sachant qu’un photon mettrait 2.5 millions d’années pour faire le voyage, et que rien ne peut voyager plus vite. C’est contre-intuitif, ça dépasse complètement la logique et notre compréhension actuelle de la physique, mais c’est un phénomène réel qui existe à l’échelle quantique. Et ce phénomène nous sera très utile dans la fabrication d’un ordinateur quantique.

2) Le fonctionnement d’un ordinateur quantique

Les ordinateurs quantiques encodent et traitent l’information d’une manière très différente de celle des ordinateurs classiques.

Alors qu’un ordinateur classique fonctionne avec des bits d’information, un ordinateur quantique fonctionne avec des bits quantiques ou qubits. En français, ca fait forcément marrer hein? cul – bit …  Les bits encode de l’information dans un état 0 ou 1, les qubits peuvent être 0 et 1 en même temps grâce à la superposition quantique.

Pendant ce temps, l’intrication permet aux particules d’être manipulées instantanément quelque soit la distance entre elles – tout ce qui arrive à une particule se reflétera instantanément dans l’autre. Les informations peuvent donc être envoyées sur de plus grandes distances et beaucoup plus rapidement qu’avec des ordinateurs classiques.

Bien que le domaine de l’informatique quantique soit encore à ses débuts avec de nombreux problèmes techniques à surmonter, les chercheurs ont fait des progrès significatifs ces dernières années. Ils ont trouvé des moyens de maintenir la durée de vie des qubits afin d’augmenter le temps pendant laquelle les informations peuvent être contenues dans un système quantique, et selon les experts, les ordinateurs quantiques dit de travail, c’est à dire capable d’être utilisé pour résoudre des problèmes, et bien ils seront probablement disponibles d’ici une à deux décennies.

Il n’y a pas si longtemps que ça, certaines personnes pensaient encore que l’ordinateur quantique n’était qu’une de ces illusions technologiques de Science Fiction. Au même titre que l’est peut être la fusion nucléaire ou le propulseur spatial hyperluminique. Aujourd’hui, plus personne ne tient ce discours. Nous sommes au tout début, mais nous avons dépassé le stade de la science-fiction. Et même si aujourd’hui, les ordinateurs quantiques dans les laboratoires de recherche ne peuvent rien faire de mieux que ce qu’un ordinateur classique peut faire, ca va changer très bientôt.

Alors, que pouvons-nous attendre de l’avenir de l’informatique quantique?

3) Le monde sous l’influence de l’informatique quantique

Depuis les années 50, on a l’habitude de voir les technologies de communication et d’information devenir de plus en plus petite, et de plus en plus rapide. Mais lorsque l’informatique quantique se sera démocratisé, on regardera le passé en se rendant compte à quelle point nos ordi étaient lents. On arrivera pas à y croire.

Les ordinateurs quantiques seront capables d’effectuer des calculs beaucoup plus compliqués que les ordinateurs classiques et les implications seront énormes.

Ils auront une capacité de sauvegarde et une rapidité de calcul qui est simplement impossible pour les ordinateurs classiques. Et c’est tout un tas de domaine qui pourront en bénéficier. Car de nombreuses innovations ne peuvent encore être découverte, ou sont retardés à cause de nos limites en puissance informatique.

Car bien souvent lorsqu’on veut savoir si une technologie peut marcher, on fait des simulations informatiques lors du stade la recherche. Et seulement ensuite, on fait des tests et on dépense de l’argent dans des infrastructures, ou dans la fabrication d’un engin, d’un objet ou d’un traitement pharmacologique. Mais certaines simulations demandent un nombre tellement élevé de données que les ordinateurs classiques sont complètements dépassés. Ou alors il faut utiliser des super-ordinateurs qui demande des centaines de mètres carrés, qui pompent une énergie monumentale et qui sont réservés à des calculs extrêmement ciblés. Et même là, on atteint des limites.

La force de l’ordinateur quantique c’est qu’il permet de traiter un nombre démentiel de donnée en très peu de temps. Voici une analogie pour comprendre. Imaginez un labyrinthe. Le but est de trouver la sortie en partant du centre. Si on demande à un ordinateur classique de le faire, il va procéder en parcourant chaque chemin, un à la fois, jusqu’à trouver le bon. Si on demande à un ordinateur quantique, il va prendre tous les chemins simultanément, et donc trouver la solution en un claquement de doigt.

Du coup, tous les secteurs nécessitant des problèmes d’optimisation, vont avoir à leur disposition un outil extrêmement plus performant. C’est le cas du secteur des transports et infrastructures routières, ou encore la modélisation avancée du climat.

En médecine :

Avec un ordinateur classique, il est virtuellement impossible de savoir le comportement d’une molécule sur le long terme dans le corps humain. Et ce malgré le fait que le secteur pharmaceutique dépense des milliards dans la recherche. La nature ne traite pas l’information avec des 0 ou des 1. Elle le fait de façon quantique. Donc, le calcul informatique quantique pourrait nous permettre de découvrir des moyens d’éliminer certaines maladies en permettant des simulations bien plus complexe des molécules et interactions chimiques. Des maladies infectieuses comme le Sida, malaria, tuberculose, ou paludisme. Mais également les maladies qui font le plus de mort au monde : Cancer, maladies cardio-vasculaires, diabète. Ce qui, vous en conviendrez, changerait pas mal la face du monde et notre rapport à la santé. Cela pourrait également permettre des percées dans le génie génétique, ce qui nous rapproche peut être de traitement efficace contre le vieillissement.

En Physique et dans l’espace :

Au niveau de notre compréhension de l’univers, là aussi, la puissance de calcul quantique nous donnera accès à des simulations plus complexe du fonctionnement des galaxies, la formation des étoiles, la découverte de nouvelles particules, résoudre les mystères de la matière noire et l’énergie noire et peut être même une théorie du Tout, réconciliant physique quantique et relativité générale. Il est très difficile de savoir ce qu’une telle découverte nous permettrait de faire en tant que civilisation, mais il y a de grand de chance pour que ce soit un pas dans la bonne direction. Et concernant la conquête spatiale, pareil. Si on a réussi à poser le pied sur la Lune, c’est en grande partie grâce à l’aide des ordinateurs IBM de l’époque dans les locaux de la NASA qui ont augmenté la rapidité et la précision des calculs nécessaires. Si on veut coloniser Mars, miner des astéroïdes, explorer les Lunes de Saturne et Jupiter, l’informatique quantique sera d’une aide précieuse qui pourrait accélérer nos ambitions spatiales.

En sécurité :

Beaucoup de chercheurs affirment que les premières application de l’informatique quantique seront dans la crypto sécurité. Car on sait que c’est un domaine où l’on a d’enorme progrès à faire, et à mesure que notre civilisation s’interconnecte numériquement, on a plus que besoin de s’assurer que les données et transactions sont 100% sécurisé.

Le divertissement :

Il y a également le secteur du divertissement qui pourrait bénéficier du calcul quantique. La réalité virtuelle va nous plonger dans les univers de plus en plus photo-réaliste et il est difficile d’imaginer à quel point l’informatique quantique peut nous approcher d’un stade ou il sera impossible de discerner ce qui est réel, de ce qui est simulé. Et là, passé ce stade, on ouvre la porte à des scenarios utopiques pour certains, dystopiques pour d’autres mais qui pour sûr, auront un profond impact sur la civilisation.

Intelligence artificielle :

Il est encore difficile de savoir quel sera l’architecture matérielle d’une IA forte, ou générale. Les recents progres dans le domaine avec l’apprentissage machine, et le neural net, qui sont deux méthodes d’apprentissage pour une IA, se sont faite en utilisant l’informatique classique. Et nous pourrions très bien réussir à créer une IA forte sans l’informatique quantique. Mais on peut quand même se dire qu’avec la puissance du calcul quantique, les choses pourraient s’accélérer. Et une IA forte pourra par la suite, utiliser d’elle même l’informatique quantique pour changer sa propre architecture, et concevoir de meilleur version d’elle même. Ce qui …. fait un peu flipper car on entre dans une explosion d’intelligence et le futur, passé ce point, est imprévisible. Mais là, on s’aventure dans le sujet qui mérite son propre épisode.

Un nouveau type d’internet :

La communication dite quantique est l’une des applications les plus intéressantes prévues pour l’avenir de l’informatique quantique. Des chercheurs en Chine et ailleurs dans le monde ont commencé à explorer le potentiel de la construction de réseaux quantiques en utilisant les mêmes principes que l’informatique quantique. La création de ces réseaux ouvrirait éventuellement la porte à un Internet quantique, un système de communication plus sûr dans lequel l’information est stockée et transmise avec une cryptographie avancée.

Aujourd’hui, les ordinateurs quantiques sont tous volumineux et ne fonctionnent que dans des environnements spécialisés. Par exemple en étant maintenu à très basse température. Par conséquent, l’avenir de l’informatique quantique pourrait inclure la création de puces informatiques spécialisées capables de fonctionner comme des ordinateurs quantiques mais sans les composants de pointe dont ces systèmes ont besoin. La révolution de l’informatique quantique pourrait très bien commencé avec une personne, dans son garage, accédant à un ordinateur quantique à travers un service de cloud computing. Il pourra alors créer ce qu’il veut et peut être révolutionner le domaine d’une manière qu’on ne peut pas prévoir. A l’instar des Steve Jobs, Bill Gates ou Elon Musk.

Le futur de l’énergie :

Nous sommes dans une crise énergétique, qui s’accompagne d’une crise des ressources. On ne peut pas le nier. L’utilisation des énergies fossiles nous a conduit au bord du précipice et nous devons changer de mode de production et consommation d’énergie. La bonne nouvelle, c’est qu’il existe un tas de solution. On peut améliorer le rendement des énergies renouvelables, fabriquer des batteries plus efficace et laissant moins d’empreinte sur l’environnement, la fusion nucléaire ou encore le réacteur à onde progressive. Aujourd’hui, si on ne voit pas ces technologies, c’est qu’on butte encore sur des défis à résoudre. Il n’y aucune loi dans l’univers qui nous empêche de construire une centrale à fusion nucléaire par exemple. Seulement nos propres limites à trouver les solutions. Et peut être qu’on ne pourra jamais y arriver avec nos ordinateurs classiques. Et c’est là que l’utilisation de l’informatique quantique peut nous offrir les clés pour un futur propre.

Bien sûr, un ordinateur quantique n’est pas seulement limité à son processeur. Ces systèmes nécessiteront également de nouveaux algorithmes, logiciels, et un certain nombre d’autres technologies encore à concevoir spécialement conçues pour tirer parti de l’énorme puissance de calcul quantique, tout en permettant le partage ou le stockage des résultats de l’ordinateur afin d’en tirer une utilisation pratique.

Le premier transistor a été introduit en 1947. Le premier circuit intégré a suivi en 1958. Le premier microprocesseur d’Intel – qui n’avait que 2 500 transistors – n’est arrivé qu’en 1971. Chacunes de ces étapes étaient à plus d’une décennie d’intervalle. Donc il ne faut pas être hyper enthousiaste en pensant que les ordinateurs quantiques seront là l’année prochaine. L’histoire nous montre que les progrès en informatique prennent du temps. Si dans 10 ans nous avons un ordinateur quantique qui a quelques milliers de qubits, cela changerait déjà le monde de la même manière que le premier microprocesseur. Par contre, on constate aussi en regardant l’évolution de l’informatique, que chaque nouveau paradigme arrive plus vite que le précédent, et ce de manière exponentielle. Ce phénomène a été modélisé par la loi de Moore, et l’inventeur Ray Kurzweil en parle souvent dans ses livres.

Par contre, il ne faut pas imaginer que les ordinateurs quantiques vont remplacer nos smartphones et ordis portables. On ira pas au centre commercial du coin acheter un ordinateur personnel quantique. En faite, ce seront des machines qui feront leur truc en coulisse et comme on l’a vu plus tôt, qui seront peut être accessible via du cloud computing, à distance quoi.

L’informatique quantique nous aidera à comprendre le déluge de données que nous sommes en train de créer pour résoudre certains problèmes cruciaux. Il existe des systèmes générant des milliards de données par jour, et ceux-ci pourraient être la solution à certains problèmes critiques affectant la société. Mais notre technologie actuelle n’arrive pas à traiter toutes ces données, ce qui place l’ordinateur quantique comme un moyen extrêmement prometteur pour donner les ressources nécessaire aux prochaines découvertes et percée scientifique et technologique que notre civilisation a tant besoin pour passer le cap de la maturité technologique. Il faut juste espérer que l’on puisse en bénéficier le plus rapidement possible pour apporter les solutions aux challenges du 21e siècle.

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