Une fois encore ce sont les laboratoires Bell et en particulier Peter Shor dont on reparlera qui inventa un algorithme permettant de factoriser les grands nombres, de les convertir en produits de facteurs simples. Exemple : la factorielle de 120 = 5! = 5x4x3x2x1.

Quel est le rapport entre la factorisation et l’ordinateur quantique ? La cryptographie ! Grâce à cet algorithme, un ordinateur quantique est en mesure de casser les codes d’encryption les plus complexes en quelques secondes !

 Devant ce défi qui intéresse autant les majors de l’informatique que les services d’espionnage ou l’armée, des centaines de chercheurs aux quatre coins du monde se sont donnés pour objectif de construire le premier ordinateur quantique d’ici quelques années. On avança même la date de 2008 voire 2020. La compétition est ouverte, avis aux chercheurs !

Comment fonctionne un ordinateur quantique ?

Nous savons qu’un ordinateur classique traite des informations élémentaires, des bits, qui ne peuvent présenter qu’un parmi deux états 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 “quantum bits”, qubits en abrégé dont une illustration artistique est présentée ci-dessus. 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.

Qubit et sphère de Bloch A gauche un bit ordinaire est caractérisé par deux états, 0 ou 1. Au centre un pbit ou "bit probabiliste". Il représente la distribution des probabilités d'un bit. L'expression indiquée signifie que le pbit a une probabilité p d'être dans l'état 0 et 1-p d'être dans l'état 1. C'est l'exemple typique de la pièce de monnaie que l'on jete en l'air : elle a 1 chance sur 2 de tomber sur pile, 1 chance sur 2 de tomber sur face.  Le résultat après effondrement correspond à l'un des deux états 0 ou 1. On ne peut donc voir la distribution de probabilité mais uniquement les états déterministes des bits. A la limite, en disposant d'un nombre infini de pbits, la probabilité p correspond à la fraction de pbits observés dans l'état 0.  En revanche, le qubit présenté à droite opérant dans un univers multidimensionnel, ses états propres correspondent à la surface d'une sphère dite de Bloch tandis que ses états logiques correspondent aux pôles de cette sphère. On peut procéder de la même manière qu'avec les pbits à travers une opération de mesure qui convertit les états des qubits en information classique, bien sûr à la condition de ne pas avoir observé les états intermédiaires au risque de provoquer un effondrement prématuré des kets ou vecteurs d'états. Document W.H.Zurek et al.

Aujourd’hui nous sommes loin de pouvoir gérer autant d’états et les ordinateurs quantiques les plus puissants travaillent au mieux avec 7 qubits, l’équivalent d’un processeur de 7 bits mais massivement parallèle. L’avantage est évidemment un très important gain de temps. Nous verrons que cette technologie présente également d’autres avantages. Mais elle présente également quelques inconvénients.

Gérer la décohérence

Nous savons combien il peut-être difficile de contrôler un comportement quantique qui est gouverné par les lois d’une logique floue qui nous échappe. Un qubit présente un état cohérent, c’est-à-dire qu’il présente les deux états possibles simultanément : c’est l'emmêlement ou d'imbrication quantique. Mais aussitôt que l’événement observable interagit avec l’environnement, il “décohère” et tombe dans l’un des deux états classiques.

Ce changement d’état quantique représente un obstacle majeur pour la fabrication d’ordinateurs quantiques car cela signifie que la puissance potentielle de ces ordinateurs dépend des propriétés de parallélisme présentes dans l’état d’imbrication quantique.

A lire : Transfert d'information entre deux qubits par câble

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 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 RMN constitué par un aimant à supra-conducteur plongé dans un dewar contenant de l'hélium liquide à -269°C. Au centre, les deux spins d'une particule. 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 de décohérence. Documents IBM.

C’est la raison pour laquelle même aujourd’hui, il reste toujours une question fondamentale en suspens : peut-on créer un ordinateur quantique quand on sait que le fait de regarder un qubit provoque sa décohérence ? Comme le disent les physiciens, trouver une solution est aussi difficile que de craquer un code secret !

Eviter de perdre l’information

Aujourd’hui l’un des problèmes majeurs de l’informatique est la dissipation de chaleur par les composants sous tension.

De nos jour la température de la majorité mciroprocesseurs les plus rapides dépasse allègrement les 80°C ! Pour éviter qu'ils ne surchauffent ils doivent être refroidis (ventilés ou par circulation d'un bain d'huile). Un arrêt du système de refroidissement et c'est la panne assurée de l'ordinateur.

Quant aux salles informatiques dans lesquelles sont placés les serveurs elles doivent être climatisées car si la température ambiante dépasse environ 45°C la plupart des ordinateurs risquent de se "planter". Il en est de même pour les appareils domestiques (frigo, etc).

L’ordinateur quantique présente un problème similaire bien que son origine soit différente. Les physiciens sont d’avis que les ordinateurs quantiques ne présentent pas réellement de limites, ni en vitesse de calcul, ni en capacité mémoire ou en fiabilité, ce qui est une avancée prodigieuse par rapport à la technologie actuelle.

En revanche, un autre problème surgit : éviter de perdre l’information en cours de calcul.

Car ici on travaille avec des qubits dont les changements d'états sont fixés dans les atomes de substances plus ou moins liquides (quoiqu'on puisse les fixer dans des semi-conducteurs également).

Les physiciens considèrent que pour fonctionner le plus rapidement possible, les opérations effectuées par un ordinateur quantique doivent être réversibles : les données entrées doivent par exemple être déductibles des résultats.

Un calcul irréversible signifie une perte d’information que l’on peut assimiler à une dissipation de chaleur ou une instabilité (turbulence) dont l’effet limitera les performances de l’ordinateur.

Prenons un exemple avec un circuit logique. Une porte AND présente deux entrées pour une sortie, ce qui signifie qu’un bit d’information a été perdu au cours de la sommation.

Il faut donc trouver un moyen de fabriquer des portes logiques réversibles et plus généralement découvrir une méthode afin que l'information véhiculée par un signal à support borné non modifiée par l'opération d'échantillonnage (théorème de Shannon) soit réversible.

Fabrication d'un ordinateur quantique

Avant d’envisager les applications d'un ordinateurs quantique, voyons comment on peut le fabriquer, l’occasion de faire un saut dans le futur.

Du fait qu’un ordinateur quantique manipule des qubits, sa fabrication n’a plus rien à voir avec celle d'un ordinateurs conventionnel son processeur ne contient plus de transistor ou de diode par exemple

Il faut élaborer une nouvelle et très haute technologie capable de faire exister des qubits en superpositions d’états 0 et 1. La méthode pour y parvenir…n’existe pas; nous en sommes encore au stade expérimental avec tous les échecs et les quelques succès que cette étape sous-entend.

Aujourd'hui il existe plusieurs technologies :

- Le laser et le point quantique

- L'ordinateur RMN solide

- L'ordinateur liquide ou à gaz

- L'ordinateur à semi-conducteurs.

Les solutions les plus prometteuses s'orientent vers les semi-conducteurs (nanostructures, impuretés mono-atomiques dans un semi-conducteur, flux électroniques ou magnétiques circulant dans des supra-conducteurs, etc).

Un ordinateur quantique de 100 qubits serait capable de traiter l'équivalent de 10¹⁹ bits d’information soit, en jargon informatique l’équivalent d’une puissance de 10000 Teraflops ! Avec 300 qubits on estime pouvoir simuler le Big Bang...

& La suite de cette passionnante aventure est décrite dans mon livre :

Retour à la Physique Quantique