Le secret de la puissance d’un ordinateur quantique réside dans sa capacité à générer et à manipuler des bits quantiques, ou qubits.

Qu’est-ce qu’un qubit ?

Les ordinateurs d’aujourd’hui utilisent des bits – un flux d’impulsions électriques ou optiques représentant des 1 ou des 0. Tout, de vos tweets et e-mails à vos chansons iTunes et vidéos YouTube, est essentiellement constitué de longues chaînes de ces chiffres binaires.

Les ordinateurs quantiques, en revanche, utilisent des qubits, qui sont généralement des particules subatomiques telles que des électrons ou des photons. Générer et gérer des qubits est un défi scientifique et technique. Certaines entreprises, comme IBM, Google et Rigetti Computing, utilisent des circuits supraconducteurs refroidis à des températures plus froides que celles de l’espace lointain. D’autres, comme IonQ, piègent des atomes individuels dans des champs électromagnétiques sur une puce de silicium dans des chambres à ultravide. Dans les deux cas, l’objectif est d’isoler les qubits dans un état quantique contrôlé.

Les qubits ont des propriétés quantiques bizarres qui font qu’un groupe connecté d’entre eux peut fournir une puissance de traitement bien supérieure à celle du même nombre de bits binaires. L’une de ces propriétés est connue sous le nom de superposition et une autre est appelée intrication.

Qu’est-ce que la superposition ?

Les qubits peuvent représenter de nombreuses combinaisons possibles de 1 et de 0 en même temps. Cette capacité à être simultanément dans plusieurs états est appelée superposition. Pour mettre les qubits en superposition, les chercheurs les manipulent à l’aide de lasers de précision ou de faisceaux de micro-ondes.

Grâce à ce phénomène contre-intuitif, un ordinateur quantique avec plusieurs qubits en superposition peut croquer un très grand nombre de résultats potentiels simultanément. Le résultat final d’un calcul n’émerge qu’une fois les qubits mesurés, ce qui provoque immédiatement l' »effondrement » de leur état quantique vers 1 ou 0.

Qu’est-ce que l’intrication ?

Les chercheurs peuvent générer des paires de qubits  » intriqués « , ce qui signifie que les deux membres d’une paire existent dans un seul état quantique. Changer l’état de l’un des qubits modifiera instantanément l’état de l’autre d’une manière prévisible. Cela se produit même s’ils sont séparés par de très longues distances.

Personne ne sait vraiment comment ou pourquoi l’intrication fonctionne. Cela a même déconcerté Einstein, qui l’a décrit de façon célèbre comme une « action spooky à distance ». Mais c’est la clé de la puissance des ordinateurs quantiques. Dans un ordinateur classique, le fait de doubler le nombre de bits double sa puissance de traitement. Mais grâce à l’intrication, l’ajout de qubits supplémentaires à une machine quantique produit une augmentation exponentielle de sa capacité de traitement des chiffres.

Les ordinateurs quantiques exploitent des qubits intriqués dans une sorte de marguerite quantique pour faire fonctionner leur magie. La capacité des machines à accélérer les calculs en utilisant des algorithmes quantiques spécialement conçus est la raison pour laquelle il y a tant de buzz sur leur potentiel.

C’est la bonne nouvelle. La mauvaise nouvelle, c’est que les machines quantiques sont beaucoup plus sujettes aux erreurs que les ordinateurs classiques en raison de la décohérence.

Qu’est-ce que la décohérence ?

L’interaction des qubits avec leur environnement d’une manière qui entraîne la désintégration et finalement la disparition de leur comportement quantique est appelée décohérence. Leur état quantique est extrêmement fragile. La moindre vibration ou variation de température – des perturbations appelées « bruit » en langage quantique – peut les faire basculer hors de la superposition avant que leur travail n’ait été correctement effectué. C’est pourquoi les chercheurs font de leur mieux pour protéger les qubits du monde extérieur dans ces frigos super-réfrigérés et ces chambres à vide.

Mais malgré leurs efforts, le bruit entraîne encore beaucoup d’erreurs qui se glissent dans les calculs. Des algorithmes quantiques intelligents peuvent en compenser certaines, et l’ajout de qubits supplémentaires aide également. Cependant, il faudra probablement des milliers de qubits standard pour créer un qubit unique et hautement fiable, appelé qubit « logique ». Cela sapera une grande partie de la capacité de calcul d’un ordinateur quantique.

Et c’est là que le bât blesse : jusqu’à présent, les chercheurs n’ont pas réussi à générer plus de 128 qubits standard (voir notre compteur de qubits ici). Nous sommes donc encore loin d’obtenir des ordinateurs quantiques qui seront largement utiles.

Cela n’a pas entamé l’espoir des pionniers d’être les premiers à démontrer la « suprématie quantique ». »

Qu’est-ce que la suprématie quantique ?

C’est le moment où un ordinateur quantique peut mener à bien un calcul mathématique qui est manifestement hors de portée du superordinateur le plus puissant.

On ne sait pas encore exactement combien de qubits seront nécessaires pour y parvenir, car les chercheurs ne cessent de trouver de nouveaux algorithmes pour augmenter les performances des machines classiques, et le matériel de supercalcul ne cesse de s’améliorer. Mais les chercheurs et les entreprises travaillent dur pour revendiquer le titre, en effectuant des tests contre certains des superordinateurs les plus puissants du monde.

Il y a beaucoup de débats dans le monde de la recherche sur l’importance de franchir cette étape. Plutôt que d’attendre que la suprématie soit déclarée, les entreprises commencent déjà à expérimenter les ordinateurs quantiques fabriqués par des sociétés comme IBM, Rigetti et D-Wave, une entreprise canadienne. Des entreprises chinoises comme Alibaba offrent également l’accès à des machines quantiques. Certaines entreprises achètent des ordinateurs quantiques, tandis que d’autres utilisent ceux mis à disposition par des services de cloud computing.

Où un ordinateur quantique est-il susceptible d’être le plus utile en premier lieu ?

L’une des applications les plus prometteuses des ordinateurs quantiques consiste à simuler le comportement de la matière jusqu’au niveau moléculaire. Des constructeurs automobiles comme Volkswagen et Daimler utilisent des ordinateurs quantiques pour simuler la composition chimique des batteries de véhicules électriques afin de trouver de nouvelles façons d’améliorer leurs performances. Et les entreprises pharmaceutiques les exploitent pour analyser et comparer des composés qui pourraient conduire à la création de nouveaux médicaments.

Les machines sont également formidables pour les problèmes d’optimisation, car elles peuvent croquer un grand nombre de solutions potentielles extrêmement rapidement. Airbus, par exemple, les utilise pour aider à calculer les trajectoires d’ascension et de descente des avions les plus économes en carburant. Et Volkswagen a dévoilé un service qui calcule les itinéraires optimaux pour les bus et les taxis dans les villes afin de minimiser les embouteillages. Certains chercheurs pensent également que les machines pourraient être utilisées pour accélérer l’intelligence artificielle.

Il pourrait falloir pas mal d’années pour que les ordinateurs quantiques atteignent leur plein potentiel. Les universités et les entreprises qui y travaillent sont confrontées à une pénurie de chercheurs qualifiés dans ce domaine – et à un manque de fournisseurs de certains composants clés. Mais si ces nouvelles machines de calcul exotiques tiennent leurs promesses, elles pourraient transformer des industries entières et stimuler l’innovation mondiale.

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