1. Les ordinateurs modernes approchant de leurs limites

Des ordinateurs personnels que nous utilisons tous les jours jusqu’au superordinateur le plus rapide du monde, « Fugaku », tous les ordinateurs classiques traitent l’information dans une unité appelée « bit (Bit) ». Un bit ne peut avoir que l’un des deux états d’un interrupteur : « allumé (1) » ou « éteint (0) ». Les calculs complexes, ainsi que les images gigantesques, sont tous traités séquentiellement comme de « vastes séquences de 0 et de 1 ».

Cependant, à notre époque où la miniaturisation des semi-conducteurs se rapproche de la taille des atomes, la « loi de Moore (l’amélioration des performances des semi-conducteurs) » se heurte à des limites physiques (telles que les fuites de courant dues à l’effet tunnel quantique). Pour surmonter cette limite, l’approche consistant à effectuer des calculs en utilisant des lois physiques complètement différentes est l’« ordinateur quantique ».

2. La magie de la mécanique quantique : la « superposition »

La plus petite unité d’un ordinateur quantique n’est pas appelée « bit » mais « bit quantique (Qubit) ». La principale caractéristique du bit quantique réside dans son utilisation de la propriété de « superposition (Superposition) » issue de la mécanique quantique.

Alors qu’un bit classique est déterminé sur soit « 0 » ou « 1 », le bit quantique peut maintenir simultanément un état ambigu d’être « à la fois 0 et 1 » (superposition probabiliste).

• Un ordinateur classique à 2 bits ne peut exprimer qu’une seule des combinaisons « 00, 01, 10, 11 » à la fois.
• Cependant, si on utilise 2 bits quantiques, il est possible de faire coexister ces 4 états simultanément.

Si cela passe à 300 bits quantiques, il devient possible de calculer simultanément et en un instant plus d’états qu’il n’y a d’atomes dans l’univers (2 à la puissance 300). C’est là que réside la source de la puissance de calcul écrasante (parallélisme quantique) des ordinateurs quantiques.

3. L’« intrication quantique » qui a même troublé Einstein

Un autre phénomène quantique important est l’« intrication quantique (Entanglement) ». Il s’agit d’un phénomène inquiétant où deux bits quantiques sont liés par un lien fort, et peu importe la distance qui les sépare, « lorsque l’état de l’un est observé et déterminé, l’état de l’autre est également déterminé instantanément ».

Dans un ordinateur quantique, cette « intrication quantique » est utilisée pour coordonner plusieurs bits quantiques afin d’exécuter des algorithmes de calcul complexes (interférence). En effectuant une « observation » à la fin du calcul, les réponses inutiles (ondes de probabilité) s’annulent mutuellement, et seule la probabilité de la réponse correcte est amplifiée et renvoyée.

4. En quoi l’ordinateur quantique excelle-t-il ?

L’ordinateur quantique n’est pas une boîte magique universelle. Les ordinateurs actuels sont bien plus doués pour les tâches quotidiennes telles que la navigation sur le Web ou le montage vidéo. Ce dans quoi l’ordinateur quantique excelle, ce sont les « problèmes de recherche de la réponse optimale parmi une énorme quantité de combinaisons ».

Domaines prometteurs

1. Découverte de médicaments et développement de nouveaux matériaux : Puisque les molécules et les réactions chimiques elles-mêmes ont un comportement relevant de la mécanique quantique, des simulations de médicaments peuvent être réalisées avec une extrême précision et à grande vitesse.
2. Problèmes d’optimisation : Ils sont attendus pour résoudre instantanément des problèmes impossibles à calculer même pour un superordinateur car ayant trop de variables, comme l’« itinéraire de livraison le plus efficace pour des milliers de camions » ou le « portefeuille optimal de produits financiers ».

L’effondrement de la cryptographie moderne (Algorithme de Shor)

Actuellement, le « chiffrement RSA », qui protège les communications sur Internet (telles que HTTPS), garantit la sécurité sur le principe que « la factorisation en nombres premiers de très grands nombres prendrait des dizaines de milliers d’années, même à un superordinateur ». Cependant, il a été mathématiquement prouvé que si l’on utilise l’« algorithme de Shor » destiné aux ordinateurs quantiques, cela pourrait être décrypté en quelques heures, voire quelques secondes. Par conséquent, la transition vers la « cryptographie post-quantique (PQC) » est actuellement accélérée dans le monde entier.

5. Suprématie quantique et défis actuels

En 2019, Google a annoncé que son propre ordinateur quantique, « Sycamore », avait résolu en seulement 200 secondes un calcul qui aurait pris 10 000 ans au superordinateur le plus rapide du monde, déclarant ainsi avoir démontré la « suprématie quantique (Quantum Supremacy) ».

Cependant, il existe encore de grands obstacles avant une application pratique. Ce sont les « bruits (erreurs) ». L’état de « superposition » des bits quantiques est extrêmement délicat et se détruit rapidement sous la moindre influence de chaleur ou de champ magnétique. Il faut donc d’énormes équipements permettant de les refroidir à des températures cryogéniques proches du zéro absolu (moins 273 degrés). Actuellement, le courant dominant est l’ordinateur quantique à échelle intermédiaire bruité (NISQ), et l’on dit qu’il faudra encore plus de 10 ans pour réaliser un véritable « ordinateur quantique tolérant aux pannes » capable d’autocorriger les erreurs.

6. Résumé

L’ordinateur quantique est un défi colossal de l’humanité pour appliquer, sous forme d’ingénierie, les théories de la mécanique quantique construites par des géants de la physique comme Einstein ou Schrödinger. Tout comme l’ordinateur personnel a donné naissance à Internet, et le smartphone a donné naissance aux réseaux sociaux, lorsque l’ordinateur quantique sera mis en pratique, de nouvelles technologies futures totalement inédites, que nous ne pouvons même pas imaginer, verront sans aucun doute le jour.