L'ordinateur dans l'ère quantique

Jusqu'à présent les ordinateurs conventionnels ne savaient gérer que les états numériques 1 ou 0. Désormais, l'ordinateur quantique pourra gérer à la fois des 1 et des zéros. Ainsi, le temps de traitement des informations sera considérablement plus rapide.

1) Historique de l'ère quantique.

1981 : Le physicien Richard Pillips Feynman est à l'origine de la reformulation de la mécanique quantique;

1994 : Un des premiers algoritme quantique conçu par le mathématicien Peter Shor;

1998 : Premier calcul quantique à 2 qubits (Oxford, Stanford, MIT et IBM);

2001 : Mise en pratique de l'algorithme de SHOR à l'aide de 7 qubits formés de 10¹⁸ molécules;

2009 : Premier micro-processeur quantique solide (sur silicium) à base d'atomes artificiels (aluminium) réalisé à l'université de Yale;

2011 : La société D-Wave Systems développe et vend un microprocesseur quantique à 128 qubits à Lockheed Martin;

2012 : David Wineland et Serge Haroche reçoivent le prix Nobel pour leurs travaux en manipulation et mesure de systèmes quantiques;

2013 : La NASA et Google ouvrent un laboratoire de recherche sur l'intelligence artificielle quantique;

2014 : La NASA a investi 80 millions de $ selon Edward Snowden; 

Pour aprofondir, les bases de la physique quantique : https://www.futura-sciences.com/videos/d/interview-nee-physique-quantique-3532/ .

2) Principe de fonctionnement

Les atomes, ions et électrons peuvent être simultanément dans deux états différents. Ramené à notre logique habituelle, ça nous semble aussi incroyable que de dire qu'il puisse à la fois faire jour et nuit en même temps. Mais, à l'échelle microscopique, tout est possible. 

Au niveau des circuits, des interrupteurs quantiques sont utilisés. Chacun d'eux peut être à la fois ouvert et fermé : on parle alors de "bit quantique" ou "qubit".

Il est estimé que 50 interrupteurs quantiques peuvent encoder simultanément 2⁵⁰ états différents ! Assurément, nos circuits classiques utilisés actuellement tomberaient en désuétude au niveau performance.

La nature probabiliste de la physique quantique a par contre le défaut d'être difficile à maîtriser.

Des études du MIT permettent d'entrevoir la stabilité de l'état quantique en utilisant des diamants synthétiques ( https://www.lemondeinformatique.fr/actualites/lire-les-diamant-sont-les-meilleurs-amis-de-l-informatique-quantique-64476.html ).

Des jeux dédiés permettent de résoudre des problèmes concrets de physique quantique ( https://www.huffingtonpost.fr/2016/04/13/probleme-physique-quantique-gamers-resoudre-gamification_n_9679120.html ).

3) Les machines quantiques connues

* Projet D-Wave

Principe de fonctionnement "Qubit à boucle" : 

Dans la boucle supraconductrce de type SQUID, munie de jonctions Josephson, le déplacement des électrons peut se faire au niveau de ces jonctions, dans un sens et dans le sens inverse simultanément. Cela crée la superposition quantique "0" et "1" du qubit.

Avantages :

Avec une puce contenant 2048 qubits (dont seuls 1152 sont actifs à ce jour), l'ordinateur peut traiter des problèmes réels à l'égal des ordinateurs classique.

Inconvénients :

L'efficacité est difficile à estimer car les informations délivrées par l'entreprise sont insuffisantes.

D-WAVE 2000Q :

* Projet IBM

Principe de fonctionnement "Qubit électronique" : 

Le qubit est constitué de 2 îlots d'aluminium reliés par un fil non conducteur. A une température proche du zéro absolu, l'ensemble acquiert un comportement quantique : les électrons peuvent se trouver simultanément de part et d'autre de la jonction par effet tunnel. La répartition des électrons entre l'un et l'autre îlots donne l'état "1" et "0" du qubit.

Avantages :

Méthodes déjà éprouvées et utilisées.

Inconvénients :

La grande taille des qubits et les problèmes de dégagement de chaleur limitent la possibilité d'en concentrer un grand nombre sur une petite surface.

En mai 2016, IBM met à disposition son ordinateur quantique depuis un simple navigateur sur une tranche de 5 qubits ( https://www.zdnet.fr/actualites/ibm-met-a-disposition-son-ordinateur-quantique-depuis-un-simple-navigateur-39836486.htm); le processeur d’IBM est logé dans un « réfrigérateur à dilution cryogénique », étape essentielle pour que le matériel quantique reste opérationnel ( https://www.blog-nouvelles-technologies.fr/84886/ibm-quantum-experience/).

Un projet d'ordinateur quantique 50 qubits est en cours de préparation (https://www.silicon.fr/ibm-fait-un-nouveau-pas-vers-la-commercialisation-de-systemes-quantiques-169720.html , https://www.zdnet.fr/actualites/ibm-un-ordinateur-quantique-capable-de-gerer-50-qubits-39859886.htm).

Depuis mai 2017, IBM annonce 2 processeurs de respectivement 16 et 17 qubits (https://www.papergeek.fr/ordinateur-quantique-ibm-explose-a-nouveau-le-record-de-puissance-26425

* Projet Monroe

Principe de fonctionnement "Qubit ionique" : 

Des ions (atomes chargés en électicité) sont piégés par un champ électromagnétique, et placés en lévitation dans une cavité optique. Grâce à des lasers modulés sur une longueur d'onde précise, l'un de leurs électrons se retrouve simultanément dans deux états d'énergie distincts. Chaque ion devient alors un qubit, les deux états d'énergie constituent le "0" et le "1".

Avantages :

C'est le précurseur d'un ordinateur reconfigurable à souhait qui peut aussi bien faire du calcul logique que de la simulation.

Inconvénients :

Pour manipuler les qubits un à un, il faut beaucoup de lasers, lesquels chauffent le milieu, entraînant la destruction de l'état quantique.

* Projet ENS

Principe de fonctionnement "Système quantique" : 

Dans un simulateur, des atomes en suspension forment un système fortement intriqué dont les caractéristiques quantiques globales sont les mêmes que celles du phénomène étudié. Ce système peut être divisé en plusieurs sous-parties grâce à un réseau optique. 

Avantages :

Déjà au point pour résoudre certains problèmes. Des simulations complexes peuvent être réalisées.

Inconvénients :

Le dispositif est grand (à l'échelle d'un laboratoire), à cause du parcours de refrpoidissement du gaz. L'effet de chauffage lié au pilotage par lasers peut provoquer une destruction du système quantique.

Quantum Computing - Gilles Nogues, Laboratoire Kastler Brossel – CNRS from Kavli Frontiers of Science on Vimeo.

* Projet UNSW (« The University of New South Wales »

Principe de fonctionnement "Qubit de spin" : 

Une boîte quantique gravée sur silicium peut piéger un électron individuel présentant une superposition de deux états inverses de son "spin" (ou rotation quantique). La valeur de ce qubit est contrôlée à l'aide d'un champ magnétique généré à quelques nanomètres de distance.

Avantages :

Les "boîtes quantiques" peuvent être fabriquées grâce aux méthodes de l'industrie du silicium.

Inconvénients :

L'échauffement du silicium provoque la destruction du système quantique.

Mai 2016 : les chercheurs du Sandia National Laboratories ont montré qu' un atome d'antimoine bombardé avec un générateur d'ions (champ électromagnétique) dans un substrat de silicium permet d'obtenir un ordinateur quantique opérationnel (https://www.lemondeinformatique.fr/actualites/lire-un-atome-d-antimoine-dans-du-silicium-pour-obtenir-un-ordinateur-quantique-64972.html )

* méthode baptisée « recuit simulé avec une touche digitale »

Principe de fonctionnement : 

Cela consiste à compléter l'approche adiabatique avec les fonctions de correction d'erreurs du modèle de grille. Les chercheurs ont testé leur méthode sur un système simulé en utilisant neuf qubits reliés entre eux un à un et contrôlés individuellement (https://www.lemondeinformatique.fr/actualites/lire-google-fait-un-grand-pas-en-informatique-quantique-65106.html).

Mars 2018 : Google annonce Bristlecone un processeur quantique à 72 qubits. La "suprématie quantique" (aucun ordinateur aussi puissant) serait ainsi atteinte. Inconvénient : le taux d'erreur n'est pas encore acceptable.

* les qubits-trous

Des électrons manquants vont se comporter quantiquement comme des particules de charge positive, avec un spin, et donc capables de porter un qubit d'information.

* manipulation de puces quantiques à l'aide de simples tensions électriques

https://www.science-et-vie.com/article/une-nouvelle-avancee-majeure-pour-construire-un-ordinateur-quantique-7320

* système chinois d'intrication de photons

https://www.lemondeinformatique.fr/actualites/lire-la-chine-ajoute-un-ordinateur-quantique-a-son-arsenal-hpc-68129.html

Sur circuit en silicium : https://www.tomshardware.fr/articles/ordinateur-photonique-quantique-chine,1-68419.html

* gérer l'état quantique d'une molécule

https://www.science-et-vie.com/video/des-chercheurs-reussissent-le-controle-quantique-d-une-molecule-8503

* Novembre 2017 : un microprocesseur va pouvoir opérer sur 4 qubits à la fois

https://www.science-et-vie.com/technos-et-futur/ordinateur-quantique-un-nouveau-microprocesseur-opere-sur-4-qubits-a-la-fois-9909#utm_term=Autofeed&utm_campaign=Echobox&utm_medium=Social&xtor=CS1-1&utm_source=Facebook&link_time=1510227965 

* Mars 2018 : concept d'ordinateur quantique topologique

Des particules quantiques plus ou moins hypothétiques en physique du solide appelées "anyons" pourraient expliquer l'effet Hall quantique fractionnaire.
Celles-ci pourraient exister dans un feuillet de graphène et pourraient permettre de réaliser des ordinateurs quantiques topologiques, naturellement résistants à la décohérence (les perturbations de l'environnement paralysent rapidement les calculs avec un grand nombre de bits quantiques et bloquent donc la révolution des ordinateurs quantiques).
Des chercheurs pensent pouvoir démontrer l'existence d'"anyons" bien particuliers, « non abéliens », dans le graphène, permettant ainsi de fabriquer ces ordinateurs.Ceci en  utilisant un microscope à effet tunnel (https://www.futura-sciences.com/sciences/actualites/mecanique-quantique-ordinateur-quantique-anyons-seraient-observables-graphene-70598/).

* Avril 2018 : modèle universel pour des qubits supraconducteurs

https://www.lelezard.com/communique-16632512.html

* Juin 2018 : Course au qubits essentiellement entre Intel, Google et IBM

https://thegoodlife.thegoodhub.com/2018/05/30/supercalcul-la-guerre-quantique-aura-t-elle-lieu/

* Fin octobre 2018 : Projet Cube

Trois instituts de recherche grenoblois espèrent réaliser un processeur quantique de 100 qubits : l’Institut Néel du CNRS, l’Inac (Institut Nanosciences et Cryogénie) et le Leti (Laboratoire d'électronique et de technologie de l'information) du CEA Tech (Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives).

* Mars 2019 : méthode par des chercheurs de Penn State

Développement d’un ordinateur quantique utilisant une matrice tridimensionnelle d’atomes de césium refroidis au laser et piégés en qubits. Résultats concluants par rapport à la stabilité du système (https://trustmyscience.com/etat-quantique-atomiques-mesures-avec-extreme-precision/).

* Carbure de silicium :

Mars 2020 - c'est un matériau intéressant car il permettrait de produire des qubits à température ambiante plutôt que des températures proches du zéro absolu (https://www.sciencesetavenir.fr/fondamental/ordinateur-quantique-la-piste-du-carbure-de-silicium_142705)

4) Les algorithmes, langages et applications logicielles connus

Trois algorithmes fondamentaux :

- algorithme de Grover;

- algorithme de Shor;

- algoritme de Harrow-Hassidim-Lloyd (HHL).

Des langages comme Liquid de Microsoft et Quipper ont été conçus pour traiter des qubits.

Microsoft oeuvre pour l'élaboration du langage Q# qui va permettre aux développeurs de simuler plus de 40 qubits de calculs quantiques sur Windoxs, Linux et MacOs (https://www.zdnet.fr/actualites/informatique-quantique-microsoft-lance-la-preversion-de-son-kit-de-developpement-39861396.htm , https://technologiemedia.net/2018/02/26/le-langage-de-programmation-quantique-de-microsoft-est-maintenant-disponible-pour-macos/).

Mai 2019 : les outils de développement de l’informatique quantique de Microsoft deviennent open-sources ( https://siecledigital.fr/2019/05/07/microsoft-rend-ses-outils-de-developpement-de-linformatique-quantique-open-sources/ ). 

Novembre 2017, Volkswagen et Google s'associent pour réaliser des algorithmes quantiques pour simuler et optimiser les trajets, la structure des matériaux ou encore des technologies de conduite autonome (https://www.flotauto.com/volkswagen-google-projets-ordinateur-quantique-20171114.html).

IBM met à la disposition de tout un chacun le "framework" QISKIT afin de créer des programmes qui seront utiles pour l'ordinateur quantique du "Cloud" (https://www.lemondeinformatique.fr/actualites/lire-qiskit-le-framework-de-calcul-quantique-open-source-d-ibm-72653.html).

Juin 2020 : L’EPFZ crée un langage quantique nommé SILQ qui s'apparente aux langages de programmation classique (https://www.ictjournal.ch/news/2020-06-15/lepfz-cree-un-langage-quantique-qui-parle-aux-developpeurs).

2 décembre 2020 : Première fois à l'IN2P3 qu'un calcul de physique nucléaire a été réalisé avec succès sur un ordinateur quantique (https://www.techno-science.net/actualite/premiers-pas-prometteurs-simulation-quantique-N20374.html).

5) Domaines d'application

* Intelligence Artificielle. Les ordinateurs quantiques vont permettre d'accélérer considérablement l'apprentissage des systèmes d'intelligence artificielle (https://quotidienne-agora.fr/ordinateurs-quantiques-mort-informatique-telle-connaissons/). Il sera possible de générer des voix humaine dynamiquement (ex : Deepmind l'IA de Google) ;

* Réseaux complexes. La complexité due au développement des réseaux de transports, électricité et communication va être gérée aisément par les ordinateurs quantique. Les pannes vont être ainsi détectées à l'avance. Par exemple, Volkswagen se lance sur le créneau de la gestion du trafic routier (https://www.moniteurautomobile.be/actu-auto/innovation/volkswagen-teste-lordinateur-quantique.html). A Bangkok, Toyota Tsusho et Denso investissent dans un ordinateur quantique D-Wave dont l’objectif sera d’optimiser les trajets de 130 000 camions et taxis de la ville (https://www.ladn.eu/tech-a-suivre/habitat-et-villes-connectes/lordinateur-quantique-un-futur-sans-bouchons-sur-les-routes/);

* Big Data. La gestion des vidéos de surveillance et des systèmes d'imagerie (médicale, satellite,..) vont avoir des données traitées plus efficacement à l'aide des ordinateurs quantiques;

* Cryptographie. Les systèmes de chiffrement utilisés actuellement (par exemple ; RSA), notamment dans les transactions électroniques, ne seront plus "incassable" du fait de la puissance des ordinateurs quantiques;

* Physique des particules. Les interactions quantiques des particules vont être étudiées sans difficultés. C'est le cas par exemple de la chimie physique (https://www.clubic.com/mag/sciences/actualite-812396-ordinateur-quantique-google-teste-chimie-physique.html).  

* Musique. Musique composée avec un ordinateur D-Wave (https://www.sciencesetavenir.fr/high-tech/20160803.OBS5758/duo-pour-mezzo-soprano-et-ordinateur-soi-disant-quantique.html?xtor=RSS-12).

* Réchauffement climatique. Lutte contre l'effet de serre en piégeant le dioxyde de carbone (https://www.niooz.fr/l-ordinateur-quantique-l-innovation-ultime-channel-9-9050940.shtml)

* Optimisation de l'aide aux pays en voie de développement. Achat d'engrais à bas prix (https://www.niooz.fr/l-ordinateur-quantique-l-innovation-ultime-channel-9-9050940.shtml).

* Finance et Monnaie. Le CNRS pense mettre en place une monnaie quantique infalsifiable (https://www.francetvinfo.fr/replay-radio/nouveau-monde/nouveau-monde-le-cnrs-invente-une-monnaie-quantique-infalsifiable_2583668.html).

6) Enjeux politiques, économiques et sociaux de l'ère quantique

La sécurité des données et transactions (notamment bancaires) cryptées avec les algorithmes employés à ce jour sont remis en question par la venue probable d'ordinateurs quantiques ( https://www.usine-digitale.fr/article/l-affaire-apple-vs-fbi-c-est-un-peu-celle-d-un-psychiatre-face-a-un-serial-killer-selon-le-pdg-d-inria.N381932 , https://www.lemondeinformatique.fr/actualites/lire-le-mit-travaille-sur-un-ordinateur-quantique-casseur-de-chiffrement-64125.html ). Google prend les devants et test un algorithme pour empêcher un ordinateur quantique de casser le protocole TLS utilisé pour crypter les sites webs "https" (https://mes-actus.fr/google-commence-a-proteger-ses-utilisateurs-contre-les-attaques-quantiques/).

Les services de sécurité vont avoir la possibilité de pirater plus facilement des comptes suspects (https://fr.sputniknews.com/societe/201704301031167041-services-secrets-ordinateur-quan/)

L'ordinateur quantique permettra de dépasser les limites de l'ordinateur classique auquel ne peut plus s'appliquer la "Loi de Moore" ( https://www.huffingtonpost.fr/2016/03/28/loi-de-moore-fin-smartphones-ordinateurs-puissance-bonne-nouvelle_n_9547240.html ).

L'Europe, les américains et les chinois se retrouvent dans une course à la technologie quantique ( https://francais.eu2016.nl/a-la-une/actualites/2016/05/17/manifeste-quantique-1-milliard-d%E2%80%99euros-pour-un-ordinateur-quantique-europeen, https://www.infohightech.com/la-course-en-chine-pour-creer-le-1er-de-tous-les-superordinateurs-lordinateur-quantique-vient-de-devenir-plus-encombree/ ). Un projet d'ordinateur quantique européen est en cours d'élaboration (https://www.industrie-techno.com/cyril-allouche-atos-la-programmation-est-le-challenge-oublie-de-l-informatique-quantique.45243).

Octobre 2017, ouverture d'un "supercentre" de recherche quantique en Chine (https://www.popsci.com/chinas-launches-new-quantum-research-supercenter). 

Début Novembre 2017, La "Quantum Learning Machine" d'ATOS est installée au laboratoire national d'Oak Ridge aux États-Unis (https://www.usinenouvelle.com/editorial/atos-livre-son-premier-simulateur-d-ordinateur-quantique-aux-etats-unis.N613808). Février 2019, ATOS déploie un ordinateur "Quantum Learning Machine" au centre de recherche en informatique de Hartree au Royaume-Uni (https://www.linformaticien.com/actualites/id/51314/atos-deploie-un-ordinateur-quantique-au-royaume-uni.aspx).

Février 2018, Bonne avancée de la Chine dans la physique quantique(https://www.letemps.ch/sciences/course-internationale-autour-physique-quantique).

Mai 2018, coopération entre l'Australie (SQC) et la France (CEA) pour devenir "leaders dans la course mondiale à la fabrication et à l'industrialisation des matériels informatiques quantiques" (https://www.numerama.com/sciences/365644-informatique-quantique-la-france-et-laustralie-annoncent-une-cooperation.html).

Une nouvelle chaire Nasniq (Nouvelle architecture de spins nucléaires pour l'information quantique) a été inaugurée mardi 22 mai 2018 avec ATOS et le CEA en France.

Septembre 2018, l'Europe ne se soucie guerre de mettre en adéquation une main-d'oeuvre et les potentiels métiers quantiques (https://www.letemps.ch/sciences/recherche-metiers-quantiques). 

Février 2019, plusieurs grands noms, dont le CERN et Exxon, ont rejoint le "Q Network" première version commerciale de l'ordinateur quantique d'IBM (https://www.lemagit.fr/actualites/252457298/Exxon-et-le-CERN-rejoignent-le-comite-quantique-dIBM).

Septembre 2019 : partenariat entre l'Allemagne et IBM (https://www.zdnet.fr/actualites/l-allemagne-investit-dans-l-informatique-quantique-avec-ibm-39890429.htm).

Décembre 2019 : Amazon se lance sur le marché de l'informatique quantique avec le service quantique "Braket" (https://www.futura-sciences.com/tech/actualites/ordinateur-quantique-braket-informatique-quantique-selon-amazon-78663/).

9 mars : le cabinet de conseil McKinsey publie un rapport sur l’informatique quantique, en partenariat avec le salon Viva Technology, qui estime que cette technologie représentera un marché global de 1000 milliards de dollars de valeur potentielle en 2035 (https://www.usine-digitale.fr/editorial/l-informatique-quantique-pesera-1000-milliards-de-dollars-en-2035-selon-mckinsey.N937863)

7) Réflexions sur l'évolution des machines quantiques

IBM estime que, dans la prochaine décennie, nous allons voir les ordinateurs quantiques de 50 à 100 qubits, et qu’un modèle de 50 qubits serait plus puissant que l’un des meilleurs supercalculateurs d’aujourd’hui.

Des pistes de recherches sont lancées pour utiliser l'ordinateur quantique afin de générer de véritables nombres aléatoires (les "Random Number Generator") pour améliorer les systèmes de cryptographie actuellement utilsés ou pour perfectionner les systèmes de loterie ( https://ici.radio-canada.ca/regions/estrie/2016/05/13/005-finale-pancanadienne-expo-sciences-finalistes-estrie.shtml ). 

Pistes de recherche également sur la difficulté de contrôler le "spin" de l'électron( https://ici.radio-canada.ca/regions/estrie/2016/05/13/005-finale-pancanadienne-expo-sciences-finalistes-estrie.shtml ).

Verra-t-on un jour un ordinateur quantique de la taille d'un immeuble ? (https://www.francetvinfo.fr/sciences/des-chercheurs-devoilent-un-premier-projet-d-ordinateur-quantique_2046511.html).

Les "Cristaux temporels" seraient les meilleurs supports pour les ordinateurs quantiques ! (https://www.huffingtonpost.fr/2017/01/30/des-scientifiques-sont-parvenus-a-creer-un-cristal-temporel/)

Fin août 2019 : le ditellurure d'uranium serait une piste envisagée comme support d'un ordinateur quantique du fait de sa résistance aux champs magnétiques. Ces support permettrait ainsi de résoudre les difficultés inhérentes au phénomène de décohérence (https://www.usinenouvelle.com/editorial/le-ditellurure-d-uranium-silicium-de-l-ordinateur-quantique.N875910).

Mars 2016 : création une lumière quantique composée de photons indiscernables à 99,5% ( https://www.clubic.com/mag/sciences/actualite-798622-calcul-quantique-bond.html ).

Dans la lignée des ordinateurs quantiques, des ordinateurs biologiques sont à l'étude; ils utiliseront des protéines à la place de qubits ( https://www.tomshardware.fr/articles/nanotechnologie-ordinateur-biologique-proteines,1-58722.html ).

Des menaces et des opportunités démultipliées ! (https://quotidienne-agora.fr/ordinateurs-quantiques-mort-informatique-telle-connaissons/).

La création de la molécule "triangulène" et sa stabilité vont permettre de créer un ordinateur quantique fiable (https://www.science-et-vie.com/article/des-chercheurs-creent-une-molecule-inedite-et-stable-7934) 

La cryptographie quantique appliquée à la "Blockchain" empêchera techniquement tout piratage (https://www.internetactu.net/a-lire-ailleurs/la-blockchain-remonte-le-temps/).

L'Univers serait le meilleur exemple d'ordinateur quantique ! (https://trustmyscience.com/univers-simulation-informatique/)

Août 2019 : Un protocole de couche de liaison quantique est élaboré à l'aide du phénomène d'intrication (https://trustmyscience.com/protocole-couche-liaison-quantique-ouvre-voie-vers-internet-quantique/).

(Sources : Sciences et Vie n°1182 et divers liens sur Internet)

Autres liens :

- Slide sur les ordinateurs quantiques ( https://slideplayer.fr/slide/10215926/ )