L’ordinateur quantique, pour bientôt ?

Vue de l’intérieur de l'ordinateur quantique d'IBM. IBM Research / Flickr, CC BY-SA

La suprématie quantique est là, je l’ai rencontrée nous dit Google. IBM conteste. La bataille est engagée. Qu’en est-il ? L’ordinateur quantique en grande surface, c’est pour bientôt ? Les prétentions du quantique pour relever le défi informatique sont-elles légitimes ?

Cette horripilante mécanique quantique, elle explique tout, hormis la relativité ; elle permet tout, ou presque d’internet à la médecine en passant par les lasers. Elle est indéniable : c’est la mécanique quantique. La contrepartie est qu’il faut faire fi de ses intuitions et laisser son bon sens loin de chez soi face à une nature que Feynman nous annonce absurde.

Superposé et intriqué

Premier comportement contre-intuitif : une particule « n’existe » que quand elle est observée. Entre deux interactions son état est indéterminé. La notion de trajectoire disparaît. Une particule est vue en A puis en B mais entre les deux elle n’a pas de réalité. Tous les états possibles cohabitent, sont superposés. À la moindre interaction, on quitte l’état quantique en prenant un des états superposés au hasard. C’est la décohérence. Au hasard, certes, mais avec une probabilité déterministe.

Les figures d’interférences créées par un rayon lumineux et deux fentes pour rejoindre un écran en témoignent. Entre l’émission et l’arrivée sur l’écran, le photon n’est pas matérialisé, il n’y a pas de trajectoire. La position de l’impact sur l’écran est aléatoire mais suit des probabilités dictées par les deux chemins possibles. Il en résulte de superbes bandes claires où la probabilité d’impact est maximum et sombre lorsqu’elle est basse. On peut voir spectaculairement ces figures se construire photon après photon.

Expérience de Young/Jonathan Dumas.

Deuxième épreuve pour le sens commun : deux particules ayant interagi restent liées quel que soit leur éloignement. Cette intrication fut l’objet de la part d’Albert Einstein d’une fondamentale expérience de pensée (expérience EPR) mise en équation par John Bell puis mise en évidence par Alain Aspect avec Philippe Grangier, Gérard Roger et Jean Dalibard. L’intrication est expérimentalement confirmée. Elle est exploitée dans les calculateurs et dans la téléportation quantique.

L’état quantique est un monde singulier mais précaire. Un rien suffit à provoquer un retour au monde classique. La décohérence est une limite forte pour les calculateurs qui doivent être soigneusement isolés du monde extérieur pour mener à bien leur calcul : blindage et température de fonctionnement proche du zéro absolu sont de rigueur, les machines quantiques ne tiendront pas sur un bureau. D’astucieux algorithmes de calcul d’erreur pallient certains effets de perturbations sources de décohérence au prix d’un notable gonflement des ressources de calcul quantique. Les machines quantiques progressent à grands pas. Deux qubits en 2003, quatorze en 2011, vingt en 2018 et cinquante annoncés en 2019. Ce n’est pas énorme mais on aimerait y voir l’aube d’une nouvelle loi de Moore. Fantasme ?

Le monde quantique étant contre-intuitif, le calculateur quantique sera sans surprise étrange. La programmation connue sur les ordinateurs classique ne marche plus : les résultats sont probabilistes, la fonction « copier » n’existe pas. Conçu pour un type d’algorithme dédié, le calculateur quantique ne possède pas comme l’ordinateur classique de prédisposition pour accueillir tout type de programme.

Les éléments binaires quantiques, les qubits, sont dans un état indéterminé où les valeurs 0 et 1 sont superposées. Les seize valeurs superposées d’un registre à quatre qubits pourront être testées par une seule mesure là où seize mesures seraient nécessaires sur un calculateur classique. Le parallélisme des calculateurs quantiques ouvre la voie à une puissance décuplée.

La suprématie quantique

Les attentes sont fortes pour voir la puissance du quantique s’imposer face au classique. La fière et tonitruante appellation « suprématie quantique » est moins exigeante : identifier UNE application quantique plus performante qu’en classique.

Relevons tout de même que l’application est en général particulière et l’évaluation du traitement en classique discutable. La récente polémique entre Google et IBM en est l’illustration et masque même l’exploit technologique de Google qui atteint une cinquantaine de qubits.

Chiffrement de sécurité à l’ère quantique

En 1994, Peter Shor fait trembler le monde bancaire en proposant un algorithme pour calculateur quantique susceptible de casser le chiffrement cryptographique RSA. La difficulté pour décomposer un grand nombre en facteurs premiers est exponentielle sur machine classique et polynomiale sur machine quantique, ce qui permettrait d’accélérer grandement la casse des clefs de sécurité RSA. Cela dit, la presse nous accorde un répit de quelques dizaines d’années. En effet, l’algorithme de Shor réclame deux fois plus de qubits que la taille de la clef à casser et plusieurs milliards de portes quantiques. Le passage de quelque cinquante qubits à plusieurs milliers se fera peut-être mais les technologies pour y parvenir sont-elles seulement identifiées ? C’est pour ma part la question que je me pose dès qu’un délai de quarante ans est annoncé : « quarante » dans les quarante voleurs d’Ali Baba signifiait « beaucoup ».

Proches par les mots, les concepts sont différents. Le « post-quantique » fait référence aux algorithmes de chiffrement classiques capables de résister à une redoutée puissance quantique. La dénomination de cryptographie quantique est flatteuse mais trompeuse : le chiffrement ne doit rien aux calculateurs quantiques, il reste classique. Le quantique est utilisé pour transmettre les clefs de chiffrement : il détecte toute tentative d’intrusion. C’est la distribution quantique de clés, fonction aujourd’hui assurée par le protocole RSA.

La portée de la distribution est limitée par l’atténuation dans la fibre et les répéteurs classiques des réseaux de transmission sont inopérants : ils détruiraient l’état quantique. Heureusement, la téléportation est là.

L’intrication quantique lie deux particules indépendamment de leur éloignement. Le fantasme est de téléporter des objets instantanément, mais la réalité est plus prosaïque : seul l’état quantique d’une particule peut être téléporté à une vitesse limitée à celle de la lumière. Qu’importe, on n’en demande pas plus pour prolonger le transport d’une clef quantique. La Chine avance sur ce sujet.

Alors, l’ordinateur quantique est pour demain ?

Hélas non, vous n’aurez pas d’ordinateur quantique sur votre bureau prochainement. La bureautique n’est pas au programme et les températures proches du zéro absolu, sont rédhibitoires.

Les sciences auront probablement beaucoup à gagner des simulations, la cryptographie verra un renouveau, Internet aura-t-il sa révolution ? Les gains des recherches autour de l’ordinateur quantique pourraient être invisibles parce qu’indirects mais tangibles.

Pour approfondir, je me permets de vous suggérer les incontournables cours et conférences pleins d’humour de Richard Feynman (en anglais), ainsi que le très complet, très bien écrit et pédagogique blog d’Olivier Ezratti.

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