Comment fonctionnent les ordinateurs quantiques

Un ordinateur quantique est un ordinateur qui utilise les principes de la physique quantique pour augmenter la puissance de calcul au-delà de ce qui est possible avec un ordinateur traditionnel. Les ordinateurs quantiques ont été construits à petite échelle et les travaux se poursuivent pour les faire évoluer vers des modèles plus pratiques.

Comment fonctionnent les ordinateurs

Les ordinateurs fonctionnent en stockant des données sous forme de nombres binaires, ce qui se traduit par une série de 1 et de 0 conservés dans les composants électroniques tels que les transistors. Chaque composant de la mémoire de l’ordinateur est appelé un bit et peut être manipulé par les étapes de la logique booléenne de sorte que les bits changent, en fonction des algorithmes appliqués par le programme informatique, entre les modes 1 et 0 (parfois appelés « on » et « off »).

Comment un ordinateur quantique fonctionnerait

Un ordinateur quantique, en revanche, stockerait des informations sous la forme soit d’un 1, soit d’un 0, soit d’une superposition quantique des deux états. Un tel « bit quantique » permet une bien plus grande flexibilité que le système binaire.

Plus précisément, un ordinateur quantique serait capable d’effectuer des calculs d’un ordre de grandeur bien plus important que les ordinateurs traditionnels… un concept qui suscite de sérieuses préoccupations et trouve des applications dans le domaine de la cryptographie et du cryptage. Certains craignent qu’un ordinateur quantique performant et pratique ne dévaste le système financier mondial en perçant leurs cryptages de sécurité informatique, qui sont basés sur la factorisation de grands nombres qui ne peuvent littéralement pas être percés par les ordinateurs traditionnels pendant la durée de vie de l’univers. Un ordinateur quantique, en revanche, pourrait factoriser les chiffres dans un délai raisonnable.

Pour comprendre comment cela accélère les choses, prenez cet exemple. Si le qubit est dans une superposition de l’état 1 et de l’état 0, et qu’il a effectué un calcul avec un autre qubit dans la même superposition, alors un calcul obtient en fait 4 résultats : un résultat 1/1, un résultat 1/0, un résultat 0/1 et un résultat 0/0. C’est le résultat des mathématiques appliquées à un système quantique lorsqu’il est dans un état de décohérence, qui dure pendant qu’il est dans une superposition d’états jusqu’à ce qu’il s’effondre en un seul état. La capacité d’un ordinateur quantique à effectuer plusieurs calculs simultanément (ou en parallèle, en termes informatiques) est appelée parallélisme quantique.

Le mécanisme physique exact à l’œuvre dans l’ordinateur quantique est quelque peu complexe sur le plan théorique et intuitivement dérangeant. En général, il s’explique en termes d’interprétation multi-monde de la physique quantique, dans laquelle l’ordinateur effectue des calculs non seulement dans notre univers mais aussi dans d’autres univers simultanément, alors que les différents qubits sont dans un état de décohérence quantique. Bien que cela semble tiré par les cheveux, il a été démontré que l’interprétation multi-monde permet de faire des prédictions qui correspondent aux résultats expérimentaux.

Histoire de l’informatique quantique

L’informatique quantique a tendance à remonter à un discours de Richard P. Feynman en 1959, dans lequel il a parlé des effets de la miniaturisation, notamment de l’idée d’exploiter les effets quantiques pour créer des ordinateurs plus puissants. Ce discours est aussi généralement considéré comme le point de départ de la nanotechnologie.

Bien sûr, avant que les effets quantiques de l’informatique ne puissent être réalisés, les scientifiques et les ingénieurs ont dû développer plus complètement la technologie des ordinateurs traditionnels. C’est pourquoi, pendant de nombreuses années, l’idée de concrétiser les suggestions de Feynman n’a guère progressé directement, ni même suscité d’intérêt.

En 1985, l’idée des « portes de la logique quantique » a été lancée par David Deutsch, de l’université d’Oxford, comme moyen d’exploiter le domaine quantique à l’intérieur d’un ordinateur. En fait, l’article de Deutsch sur le sujet a montré que tout processus physique pouvait être modélisé par un ordinateur quantique.

Près d’une décennie plus tard, en 1994, Peter Shor, d’AT&T, a conçu un algorithme qui ne pouvait utiliser que 6 qubits pour effectuer certaines factorisations de base … plus le nombre de cubits est élevé, plus les nombres nécessitant une factorisation sont complexes, bien entendu.

Une poignée d’ordinateurs quantiques a été construite. Le premier, un ordinateur quantique de 2 qubits en 1998, pouvait effectuer des calculs triviaux avant de perdre sa décohérence après quelques nanosecondes. En 2000, des équipes ont réussi à construire un ordinateur quantique de 4 et 7 bits. La recherche sur le sujet est toujours très active, bien que certains physiciens et ingénieurs s’inquiètent des difficultés liées à la transposition de ces expériences sur des systèmes informatiques à grande échelle. Néanmoins, le succès de ces premières étapes montre que la théorie fondamentale est solide.

Difficultés avec les ordinateurs quantiques

Le principal inconvénient de l’ordinateur quantique est le même que sa force : la décohérence quantique. Les calculs de qubit sont effectués alors que la fonction d’onde quantique est dans un état de superposition entre états, ce qui lui permet d’effectuer les calculs en utilisant simultanément les états 1 et 0.

Cependant, lorsqu’une mesure de n’importe quel type est effectuée sur un système quantique, la décohérence se désagrège et la fonction d’onde s’effondre dans un seul état. L’ordinateur doit donc, d’une manière ou d’une autre, continuer à faire ces calculs sans effectuer de mesures jusqu’à ce qu’il puisse sortir de l’état quantique, faire effectuer une mesure pour lire son résultat, qui est ensuite transmis au reste du système.

Les exigences physiques liées à la manipulation d’un système à cette échelle sont considérables et touchent aux domaines des supraconducteurs, des nanotechnologies et de l’électronique quantique, entre autres. Chacun de ces domaines est lui-même un domaine sophistiqué qui est encore en plein développement, aussi essayer de les fusionner tous ensemble en un ordinateur quantique fonctionnel est une tâche que je n’envie particulièrement à personne … sauf à la personne qui y parvient finalement.