L'ordinateur du futur

9. L'ordinateur quantique (III)

A plus long terme, l'ordinateur quantique constituera une véritable révolution pour les ingénieurs et les laboratoires de recherches. De quoi s'agit-il ?

Nous savons qu’un ordinateur classique traite des informations élémentaires, des bits, qui ne peuvent présenter qu’un parmi deux états ou valeurs possibles : 0 ou 1. C’est le langage binaire.

Avec 4 bits, un ordinateur classique peut traiter un état parmi 2⁴ soit 16 états différents : 0000, 0001, 0010, 0011, etc. Dans notre exemple, l’avantage de l’ordinateur quantique est de pouvoir traiter simultanément les 16 états.

On ne parle plus de bits mais de bits quantiques ou qubits en abrégé (de l'anglais “quantum bits”. Des ordinateurs quantiques équipés de processeurs de N qubits permettent donc de gérer 2^N informations différentes simultanément ! Ils calculent donc N fois plus vite qu’un ordinateur classique puisqu’ils sont capables d’effectuer ces calculs en parallèle ! Le nombre de qubits augmente donc de manière exponentielle la puissance du travail en parallèle.

A gauche, les Drs Isaac Chuang et Costantino Yannoni du MIT manipulant des éprouvettes contenant des molécules organiques. Aussi étonnant que cela soit, elles constituent le coeur de leur ordinateur quantique à RMN à état liquide qui peut se réduire à une seule molécule et ses qubits représentés par les noyaux atomiques contenus dans la molécule ! A l'arrière-plan le cylindre métallisé du système à RMN constitué d'un aimant à supra-conducteur plongé dans un dewar contenant de l'hélium liquide à -269°C. A droite, deux ions de baryum au repos contenant chacun un seul qubit sont maintenus séparés par un rayon laser refroidit près du zéro absolu afin d'étudier la durée du phénomène d'intrication quantique. Doc IBM.

L'une des applications les plus prometteuses est la communication quantique. Imaginons qu’un pirate intercepte un message quantique sur une ligne puis le retransmette au destinataire. En fait rien qu’en regardant le message, il altère son contenu puisqu’il s’agit d’un système quantique en superpositions d’états. Il est donc obligé de le retransmettre comme si de rien n’était. Erreur, le piratage est déjà enregistré car l’information que le destinataire recevra contiendra un pourcentage d'erreur très supérieur à la moyenne.

Le pirate ne peut pas non plus renvoyer son propre message à la place de l’original puisque les vérifications effectuées par l'émetteur et le destinataire indiqueront que le message n'est plus identique au message original. Quoique fasse le pirate, les deux interlocuteurs sauront que leur ligne a été mise sur écoute.

Bien sûr cette méthode ne fonctionne que si le bruit sur la ligne de transmission est négligeable. Actuellement, British Telecom teste une ligne quantique présentant 9% d’erreurs (et donc autant d'actions indiscrètes possibles) sur une distance de 10 km.

Quel est le temps d'exécution d'un ordinateur quantique ?  Pour qu’un ordinateur quantique exécute une tâche plus rapidement qu’un ordinateur classique, il faut exploiter sa puissance de calcul en parallélisme quantique et réécrire les programmes pour cette technologie. Ces algorithmes sont difficiles à élaborer et on peut les compter aujourd’hui sur les doigts d’une main, parmi lesquels l’algorithme de Shor et celui de Grover.

Si un programmeur utilise l’un de ces deux algorithmes sur un ordinateur quantique, il aura à peine le temps de s’asseoir pour apprécier son étonnement devant la vitesse d’exécution de son programme ! En effet, on a estimé qu’un ordinateur classique requiert 10 millions de milliards de milliards d’années pour factoriser un nombre constitué de 1000 chiffres. En appliquant l’algorithme de Shor, notre programmeur obtiendra son résultat en… 20 minutes !

Aujourd’hui nous sommes loin de pouvoir gérer des milliers de qubits et les ordinateurs quantiques les plus puissants travaillent au mieux avec 16 qubits, l’équivalent d’un processeur de 16 bits mais massivement parallèle.

Des tests de calculs effectués en 2013 sur l'ordinateur quantique D-Wave Two de 512 qubits indiquent qu'il réalise certaines opérations 3600 fois plus rapidement que l'ordinateur IBM classique le plus rapide. Ses performances sont toutefois optimisés pour une opération mathématique très particulière qu'on appelle l'optimisation discrète.

Les progrès ont ensuite été très rapides. D-Wave annonca un système de 2000 qubits en 2019 et un système de plus de 5000 qubits était opérationnel en 2022 au centre de calcul européen JUNIQ, en Allemagne. En 2023, IBM dévoila son premier microprocesseur quantique de 1121 qubits appelé Condor (cf. Nature, 2023).

Enfin, si les ingénieurs prévoyaient des systèmes de 10000 qubits vers 2020, ils accusent un retard d'au moins 4 ans.

Malgré les nombreux défis que nous réserve encore cette technologie en constante évolution, l’ordinateur quantique nous promet de nous affranchir de la lenteur des systèmes conventionnels en nous offrant une puissance de calcul et un temps d’exécution inimaginables jusqu'à présent. Avec lui vient toute une nouvelle théorie quantique de l'information qui nous laisse encore songeur.

Dans ce contexte très original, l'ordinateur quantique devient théoriquement capable de simuler une infinité de processus physiques et il cache peut-être dans ces circuits atomiques le secret de la création de l'ordinateur quantique universel.

Selon les consultants de Market Research Engine, le marché de l'informatique quantique devrait dépasser 495.5 millions de dollars d'ici 2024 à un TCAC (taux de croissance annuel composé) de 29% entre 2018 et 2024.

Devant de telles avancées, on comprendra que celui qui profitera le plus de cette nouvelle informatique est encore l'enfant à naître. Il connaîtra toutes les déclinaisons de l'ordinateur multimédia : souple ou rigide, mobile ou de bureau, mural ou de table, à circuits intégrés, optique ou quantique, utilisera de la manière la plus banale les technologies sans fil à très hautes fréquences, la reconnaissance vocale, les commandes mentales, les écrans tactiles et les systèmes de projection holographiques. A terme, les passionnés partageront leur savoir avec des robots domestiques. Et ce n'est pas de la science-fiction puisque dans chacun de ces domaines des prototypes existent déjà !

10. La mémoire ADN

Comment gérer les Big Data tout en ayant la garantie de pouvoir relire les données dans 10 ou même 100 ans voire bien plus tard ? Chaque jour, les laboratoires de recherches et autres centres scientifiques transmettent des milliers de terabytes de données que nous sauvegardons actuellement sur disques durs à plateaux conventionnels (HDD) ou mieux dans des mémoire flash (SSD) dans d'immenses data centers climatisés. L'archivage est également réalisé sur des tapes magnétiques de haute densité (le record détenu depuis 2014 par la cassette de 185 TB de Sony), beaucoup plus fiables que les disques durs et qui offrent la garantie de pouvoir être relues dans le futur sans contrainte particulière.

Mais à l'avenir, dans un délai d'un siècle, toutes ces technologies sont vouées à disparaître car trop énergivores, trop encombrantes, très lentes et fragiles comparées à d'autres moyens de stockage. L'obsolescence de ces supports dont l'origine remonte aux années 1950 est pour ainsi dire programmée dans leurs circuits ou leur support.

Même le CD jugé révolutionnaire en 1982 dont le film binaire est emprisonné entre deux feuilles de plastique est un support instable et peu fiable. En effet, des tests ont montré qu'au bout d'un an, l'information ne pouvait plus être lue dans 15% des cas. Soit des poussières prisonnières lors de la fabrication ont dégradé irrémédiablement le support, soit l'encre utilisée pour imprimer l'étiquette a pénétré le support et dégradé l'information. Quant au 85% des CD ayant résisté au temps, ils vieillissent mal et peuvent se dégrader au bout de 20 ans. On ne peut donc pas utiliser le CD comme support fiable des archives en espérant qu'ils seront encore lisibles dans trois mille ans comme le sont les hiéroglyphes. Faut-il pour autant revenir à la roche taillée ?

On a bien essayé de remplacer ce support optique instable par le verre le plus stable et le plus fiable qui est le quartz. Cela fonctionne très bien car le quartz résiste à l'abrasion, au feu (1000°C), à l'acide (HCL) et au choc thermique. Il est inaltérable pendant des millions voire des milliards d'années. Seules difficultés, actuellement la capacité d'un disque en quartz ne dépasse pas celle d'un disque Blu-ray et la technologie d'impression requiert un laser phemtoseconde et donc une technologie excessivement complexe et chère. Or les centres de recherches produisent des millions de CD ou leur équivalent Blu-ray chaque jour. Cette technologie n'est donc pas adaptée aux Big Data. On pourra juste se servir de ce support en quartz pour par exemple étiquetter les zones de stockage des déchets nucléaires afin d'avertir les archéologues du futur du danger qu'ils représentent.

Par quoi peut-on remplacer ces support magnétiques ou optique, y compris les disques SSD, les clés USB, les bandes magnétiques digitales, les CD et les disques Blu-ray ? Par des mémoires ADN (d'acide désoxyribonucléique). En effet, nous savons que l'ADN est le support de notre patrimoine génétique. Il peut construire des messages aussi longs que nécessaire à partir des quatre bases ou nucléotides : l'adénine (A), la thymine (T), la cytosine (C) et la guanine (G). Lors de la réplication, la cellule s'assure grâce à un système complexe de corrections d'erreurs que les milliards de données qu'elle abrite restent dans un état aussi fidèle que possible à l'original au risque de créer de sérieux handicaps et de déclencher des maladies incurables chez son propriétaire. Ce système de duplication et de préservation de nos données est extrêmement efficace et résistant.

Nous savons également que le processus épigénétique de méthylationde l'ADN - le processus responsable de l'activation et de la désactivation des gènes - permet aux cellules de conserver la mémoire de l'hérédité et intervient dans la mémoire à long terme.

En étudiant ces processus, des chercheurs de la startup californienne Twist Bioscience en collaboration avec Microsoft ont imaginé la possibilité de sauver nos informations dans des brins d'ADN, réputés pour leur fiabilité à long terme. Et cela fonctionne !

En bref, lors d'un essai réalisé en 2012, une équipe de chercheurs de l'Université d'Harvard dirigée par George Church a stocké un texte de 53426 mots et 11 illustrations sous forme de fragments d'ADN. Sachant que chaque lettre de l'alphabet est traditionnellement codée par 8 bits soit un octet ou byte, ces lettres furent traduites dans le langage de l'ADN. Ainsi, les 0 du langage binaire ont été indifféremment codés à partir d'une base A ou C, tandis que les 1 se sont vu attribués les bases G et T. Au final, huit bases furent nécessaires pour coder une lettre. Ainsi la lettre "A" qui se code en binaire par la suite des chiffres "01000001" correspond en langage ADN à la séquence "AGCCACAT" ou "CTAACACG". On peut ainsi encoder tout un livre de 300 pages ou 650 KB dans une molécule d'un milliardième de gramme d'ADN. On peut aussi doubler la capacité de stockage en assignant une valeur différente à chaque base.

Mais il faut éviter que l'ADN ne se dégrade. Il suffit qu'un seul nucléotide soit endommagé pour que toute la chaîne se décale et que l'information devienne illisible (même si l'erreur sera réparable grâce au traitement électronique).

Selon George Church de l'Université d'Harvard, pour éviter la dégradation de la séquence d'ADN au cours du temps, il suffit d'en faire plusieurs copies et donc de fabriquer plusieurs polymères d'ADN, ce qui ce fait très facilement en séparant la chaîne d'ADN et en reconstituant la moitié manquante. Des robots de la taille d'un ordinateur portable le font très rapidement.

L'ADN est très stable. Il peut survivre 6.8 millions d'années avant d'être détruit. Selon Church, "L'ADN est stable à température ambiante [...] Vous pouvez le déposer où vous voulez, dans le désert ou dans votre arrière-cour, et il sera là 400000 ans plus tard".

Selon les chercheurs d'IBM, 1 mm³ d'ADN peut stocker 1 exabyte soit 1 milliard de gigabytes de données. L'avantage est que toutes les connaissances du monde pourraient tenir dans 2 m³ d'ADN.

Selon Statista, en 2021 le volume mondial des données numériques augmenta de 1.8 zettabyte par an (contre 1.2 ZB en 2011) et tout cela tiendrait dans quatre grammes d'ADN ! Le volume de données créées entre 2010 et 2020 est passé de 2 à 64.2 ZB et devrait atteindre 181 ZB en 2025. En parallèle, la capacité mondiale de stockage devrait atteindre 16.12 ZB d'ici 2025 (cf. L'ère de l'information et du Big Data). La progression est exponentielle. Au moins 70% de ces données sont des documents peu ou jamais consultés tels que des copies sur supports magnétiques ou optiques et des archives.

Tout ce stockage numérique, que ce soit à des fins professionnelles (industrielles, commerciales, scientifiques, publiques et militaires) ou privées a un coût car il faut gérer les infrastructures et notamment maintenir les serveurs des data centers (notamment ceux du Cloud), les logiciels, les systèmes d'exploitation, les réseaux et les unités de stockage des données en ligne (temps-réel, hot data) et les archives (cold data). En 2021, on estimait que 1 MB coûtait 1000$. On pourrait réduire ce prix grâce à la mémoire ADN.

Mais il reste des problèmes à résoudre avant que cette technologie avantgardiste soit accessible à grande échelle et au public. D'abord, il faut prévoir toute la machinerie de traduction et de lecture. De plus, il faut la maintenir à jour sachant que tous les trois ans un nouveau système de lecture de l'ADN est mis sur le marché.

Selon Stéphane Lemaire, expert en biologie computationnelle et quantitative à Sorbonne Université et directeur de recherche au CNRS, l'encodage d'un document sur de l'ADN prend plusieurs jours, sa lecture, plusieurs heures. Selon Pierre Crozet, maître de conférence à Sorbonne Université, "Il nous reste encore de nombreux défis à relever. Nous allons maintenant travailler à perfectionner notre technologie, bénéficiant des améliorations qui seront faites tant dans la synthèse que le séquençage de l'ADN pour en réduire les coûts. L'objectif est que le DNA Drive soit viable et exploitable dans les data centers d'ici 2030" (cf. CNRS).

Aujourd'hui la mémoire ADN est déjà une réalité et est au point. En 2021, Stéphane Lemaire et Pierre Crozet précités ont proposé aux Archives nationales française de conserver les documents historiques les plus emblématiques sur de l'ADN synthétique. Les deux premiers documents convertis de la sorte furent la Déclaration des Droits de l'Homme et du citoyen de 1789 et la Déclaration des Droits de la femme et de la citoyenne de 1791. Ils sont aujourd'hui stockés dans deux petites capsules contenant un brin d'ADN et conservées dans un coffre-fort (cf. France Culture).

Nous verrons que l'avenir laisse également entrevoir des révolutions technologiques dans le domaine de l'informatique quantique.

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