Introduction à l’informatique quantique

Depuis quelque temps déjà, on entend parler de l’informatique quantique, une nouvelle classe de matériels et d’algorithmes informatiques basée sur les principes de la physique quantique.

Les promesses de l’informatique quantique sont nombreuses en donnant la possibilité de résoudre des problèmes qu’aucun ordinateur classique n’est capable de résoudre. Elle permettrait des avancées dans des domaines aussi variés que l’agroalimentaire, la détection de fraude, la sécurité informatique ou encore la synthétisation de molécules.

En se basant sur les capacités intrinsèques des particules atomiques, l’informatique quantique permettrait de résoudre beaucoup plus rapidement, et avec une plus grande précision, certains des problèmes les plus complexes auxquels doivent répondre nos supercalculateurs actuels.

Avant de vous présenter les principes de l’informatique quantique, revenons sur ce qu’est un ordinateur classique.

L’informatique classique

L’informatique classique est basée sur le bit. Un bit est une unité binaire représentée par les valeurs 0 ou 1, et généralement stockée via des voltages différents.

Les processeurs classiques sont composés de portes logiques : ce sont les opérations de base fournies par les processeurs.

D’un point de vue théorique, elles peuvent être décrites comme des composants électroniques qui implémentent des opérations booléennes sur les bits.

Ce sont les briques de base d’un processeur, les fameux transistors.

Une application informatique est alors une suite de portes logiques traitant un ensemble de bits, la donnée.

En réalité, nos applications utilisent des langages de programmation, qui ensuite utilisent des instructions CPU implémentées via un ensemble de portes logiques.

L’informatique quantique

L’informatique quantique est basée sur le qubit. Celui-ci aussi peut avoir la valeur 0 ou 1. Un qubit est représenté par une particule atomique : un électron, un ion, un photon… Il y a donc différents types d’ordinateur quantique, et c’est la propriété de la particule qui définit la valeur du qubit : par exemple le spin de l’électron.

La valeur réelle d’un qubit est plus complexe. Elle est définie via des équations de probabilité basées sur l’état intermédiaire du qubit, un point dans une sphère, qui permet ensuite de définir son état final |0> (état de base) ou |1> (état excité). C’est le principe de la sphère de Bloch. Cette sphère permet, entre autres, de représenter l’état d’un qubit d’un point de vue géométrique.

Le qubit a quelques propriétés spécifiques :

• Observer sa valeur le fait sortir de son état quantique. On parlera d’effondrement de la fonction d’onde. Il n’est donc possible de lire la valeur d’un qubit qu’une seule fois.
• Avant son observation, il a une valeur indéfinie.
• Un qubit peut être dans un état de superposition quantique. Il a alors les valeurs |0> et |1> en même temps.
• On peut intriquer des qubits. Des qubits intriqués seront liés entre eux et une action sur l’un influencera l’autre.

La superposition quantique est la propriété la plus intéressante d’un qubit et c’est elle qui fait toute la puissance des ordinateurs quantiques.
Dans une vision simplifiée, si on imagine un algorithme quantique qui prend en entrée un qubit, il va être exécuté en même temps pour les valeurs |0> et |1>, pour un algorithme à n qubits, pour toutes les combinaisons de valeurs des n qubits en même temps !

Les ordinateurs quantiques peuvent donc résoudre un problème de complexité polynomiale exponentiellement plus vite qu’un ordinateur classique !

L’intrication quantique permet aussi d’augmenter la rapidité des algorithmes quantiques. Elle permet de lier deux (ou plusieurs) qubits et de répliquer instantanément une action de l’un vers l’autre.

Elle sert aussi de base aux réseaux quantiques en permettant une téléportation immédiate de l’information d’un qubit à l’autre.

Les processeurs quantiques sont constitués de portes quantiques qui réalisent des opérations booléennes sur les qubits et qui sont implémentées via des composants électroniques.

Mais ces opérations ne sont pas les mêmes que celles de l’informatique classique, et construire des composants électroniques basés sur des particules quantiques est complexe et coûteux.

Les problèmes inhérents aux ordinateurs quantiques

Les ordinateurs quantiques sont basés sur des particules atomiques qui doivent être isolées de leur environnement. Ils sont donc très chers à construire et nécessitent beaucoup d’énergie pour fonctionner, entre autres à cause du refroidissement nécessaire. On parle de dizaines de kilowatts par heure !

La capacité actuelle des ordinateurs quantiques est limitée : l’ordinateur quantique le plus puissant d’IBM a 65 Qubit (127 Qubit en construction). Or le nombre de qubits définit la quantité de données qu’un algorithme peut traiter. Mais la capacité des ordinateurs quantiques double quasiment tous les ans. Cette limitation n’est donc que temporaire.

Certains ordinateurs sont spécifiques à un algorithme quantique. Ils ne peuvent donc résoudre qu’un seul type de problème.

Mais le principal problème aujourd’hui est celui de la décohérence quantique. Les qubits perdent leurs propriétés quantiques au bout d’un certain temps, et cela entraîne des erreurs de calcul.

Même si ces erreurs sont contrebalancées par des algorithmes de correction d’erreur, cela reste un souci qui entraîne un ensemble d’autres problèmes :

• Fiabilité des algorithmes
• Efficience énergétique
• Taux d’utilisation des machines

Le quantique : un domaine à garder à l’œil

L’informatique quantique semble être une piste intéressante pour régler des problèmes qu’on ne peut résoudre avec l’informatique classique, mais plus de recherche et d’innovation est nécessaire pour la rendre performante et pertinente à un coût acceptable tant monétaire qu’écologique.

Le quantique est un domaine de recherche passionnant que Zenika continuera de surveiller de près pour vous. Nous avons d’ailleurs récemment assisté à la conférence Quantum Business Europe. Nous vous en parlerons dans un prochain article !