La révolution quantique

Avec l’ordinateur quantique, l’humanité va faire un saut dans le futur. Au-delà des aspects techniques, quels sont les tenants et aboutissants de ce nouvel outil?

Si A. Turing ou J. von Neumann* ont pu initier l’ordinateur à la fin de la 2ème guerre mondiale, c’est R. Feynman (prix Nobel 1965) qui a intuité l’ordinateur quantique. Celui-ci est en cours de développement, mais avec des difficultés physiques (intrication quantique, conditions cryogéniques pour la supraconductivité, portes et algorithmes spécifiques, nanotechnologies à l’échelle du mm voire de l’ångström, oscillateurs à micro-ondes phasées,…).

Qu’est-ce que c’est?

Les ordinateurs quantiques peuvent être compris par analogie avec les ordinateurs actuels. Il faut remplacer :

– les Bits (0 ou 1) par des « Qubits » (superposition des 2 états I0> et I1>), abréviation de quantum bits**. Sachant la dualité onde corpuscule, on identifie des particules (par exemple des électrons) et on superpose leurs « ondes », ou leur « spin » (leur moment magnétique intrinsèque);

– le binaire de l’algèbre booléenne par des combinaisons complexes dans des espaces de Hilbert;

– les pas de programme par des portes (gates) quantiques (représentées par des matrices unitaires);

– l’addition par des produits tensoriels de matrices de Pauli;

– certains éléments de fiabilisation (réduction du bruit télégraphique notamment) restent à trouver (l’équivalent des condensateurs pour limiter les « bruits » dans les circuits électroniques).

La différence est qu’au lieu de traiter pas à pas des éléments certains (soit 0, soit 1), l’ordinateur quantique traite plusieurs états en même temps (état 0 avec une probabilité complexe α et état I avec une probabilité complexe β). Si l’on « intrique » 18 Qubits, comme viennent de le faire des Chinois, la puissance serait de 2 puissance 18. IBM va passer d’un système de 17 à 50 Q.  Atos y travaille aussi. Pour modéliser la planète, il faudrait un ordinateur de 10 puissance 50 bits, ce qui n’a pas de sens pour nos calculateurs binaires classiques. En revanche, cela serait couvert par un ordinateur quantique à 160 Qubits. Pour donner un ordre de grandeur, la connaissance humaine est actuellement de quelques zettabytes, soit 10 puissance 21 bytes.

Les applications

Bien sûr, on est habitué à la croissance des ordinateurs (loi de Moore). Mais ici, cela devrait permettre de changer d’échelle dans l’Intelligence Artificielle, dans la rapidité, mais aussi dans l’étendue des algorithmes spécifiques. On pourrait ainsi explorer des domaines aujourd’hui inaccessibles (simulations moléculaires, séquençage génétique, stochastiques en chaine, cryptographie complexe, météorologie à plus de 5 jours, problèmes à 3 corps ou plus avec comportement chaotique,…).

Le sujet était initialement secret car confiné au domaine militaire. En effet, un ordinateur quantique permet de « casser » un code de sécurité pratiquement instantanément, et à l’inverse est en théorie inviolable (si l’on envoie un photon sur les Qubits, cela perturbe leur état). Autre bizarrerie, si l’on sépare géographiquement 2 éléments quantiquement enchevêtrés, on peut disposer d’une information symétrique dans des lieux séparés de milliers de kms, et ce instantanément (donc, paradoxalement, plus vite que la vitesse de la lumière).

Cette révolution suppose des moyens financiers considérables, car la technologie est délicate : opérer à -270° pour la supraconductivité, retarder les décohérences, disposer des algorithmes spécifiques, etc. Bref, il faut de très riches cerveaux. Mais combien d’apparatchiks bien installés, iraient d’eux-mêmes sauter dans l’inconnu de la création innovante ?

Il faudrait pourtant, face à l’Amérique du Nord et l’Extrême-Orient, 2 zones déjà devant l’Europe pour le digital, que l’UE s’empare du sujet de l’ordinateur quantique pour rattraper son retard.

*Alan Turing, celui qui a décodé Enigma, a créé l’idée des pas de programme. Après des affaires de mœurs, il est mort empoisonné. S’il fallait un Panthéon des grands scientifiques de l’humanité, n’aurait-il pas sa place aux cotés de J. von Neumann ? Quant à ce dernier, impossible de résumer ses contributions: théorie des jeux, mécanique quantique, axiomatique, théorie de l’information, économie mathématique, informatique, nucléaire (Dr Strangelove), et même réchauffement climatique,…

**Pour les scientifiques, un Qubit, ou état pur IΨ>,  est la combinaison complexe de 2 états I0> et I1>.  Il se présente sur une sphère de Bloch (ou de Poincaré), dans un espace de Hilbert, par IΨ>= cos (Θ/2) I0> +  exp(iϕ) sin (Θ/2) I1>.

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