La physique quantique régit tout ce qui nous entoure. Est-il possible de transformer tout l'Univers en un ordinateur quantique, les extraterrestres le remarqueront-ils et pourquoi de telles machines sont-elles nécessaires? Jacob Biamonte, un professeur de Skoltech, l'un des principaux experts dans ce domaine, répond à ces questions et raconte comment il s'est retrouvé en Russie.
Brillant avenir
«Je suis arrivé pour la première fois en Russie il y a plus de dix ans, et pas du tout pour faire de la physique. J'aime les arts martiaux, y compris le sambo, et je suis venu ici pour étudier et échanger des expériences. Plus tard, j'ai appris qu'il y avait ici toutes les conditions pour faire de la science avancée, attirer des scientifiques du monde entier vers la coopération », explique le scientifique.
Il dirige aujourd'hui les laboratoires quantiques profonds, créés il y a deux ans dans le cadre de Skoltech pour fédérer les efforts de physiciens, mathématiciens, programmeurs et ingénieurs russes et étrangers qui étudient les problèmes liés au développement des systèmes informatiques quantiques.
«Nous ne traitons pas de la pratique, mais de tous les aspects théoriques et« logiciels »de l'informatique quantique, et nous interagissons avec des expérimentateurs, notamment des scientifiques de Skoltech et des spécialistes de l'Université d'État de Moscou, du RCC et de l'ITMO. Nous sommes ouverts à la coopération et prêts à aider tous les expérimentateurs qui étudient ces questions », poursuit le professeur.
Qu'est-ce qu'un ordinateur quantique? De par sa nature même, il est radicalement différent des dispositifs informatiques classiques, qui permettent des opérations mathématiques simples ou complexes sur des nombres ou des ensembles de données exprimés sous forme de zéros et de uns.
Dans les cousins quantiques des ordinateurs classiques, dont les principes ont été formulés il y a plus de 30 ans par le physicien soviétique Yuri Manin, l'information est codée d'une manière fondamentalement différente. Les cellules de mémoire élémentaires, appelées qubits, peuvent contenir non pas zéro ou un, mais tout un spectre de valeurs dans l'intervalle entre elles.
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En conséquence, la puissance de ces ordinateurs augmente de façon exponentielle: le comportement d'un processeur quantique à plusieurs dizaines de qubits ne peut être calculé même en utilisant les supercalculateurs classiques les plus puissants.
Pendant longtemps, ces machines sont restées le sujet de la science-fiction et de la recherche théorique des physiciens, mais au cours des 15 dernières années, les scientifiques ont fait une percée en créant des qubits et en les combinant dans des systèmes plus complexes. Les versions les plus avancées des ordinateurs quantiques développées à Google, IBM et à l'Université Harvard par le groupe de Mikhail Lukin contiennent de 20 à 50 qubits.
Timur Sabirov (Skoltech). Jacob Biamonte, professeur de physique à l'Institut des sciences et technologies de Skolkovo.
Malgré ces avancées, les développeurs de ces machines supposent que des systèmes informatiques à part entière capables de résoudre n'importe quel problème n'apparaîtront pas de sitôt, dans 10 à 20 ans. Il est intéressant de noter que cette estimation n'a pas changé depuis la fin des années 1990, mais de nouveaux problèmes surgissent constamment, repoussant à chaque fois le «futur quantique brillant» qui ne viendra jamais.
Comme Biamonte l'a noté dans ses conférences de vulgarisation scientifique, il prend une position particulière: à son avis, les systèmes informatiques quantiques «utiles» apparaîtront beaucoup plus tôt, mais ils ne seront pas du tout ce que le grand public et les médias les imaginent.
«Aujourd'hui, il y a un gros problème en physique, qui est en même temps son principal avantage. Les expérimentateurs gèrent tout. Pour une raison quelconque, ils pensent que les expériences sont plus importantes pour la science que la théorie. Grâce à l'argent investi dans ce domaine, la physique théorique a été pratiquement détruite », déclare Biamonte.
Le professeur lui-même se considère comme un représentant de la physique théorique classique, dont les idées dominaient la science il y a un siècle, aux premiers stades de la naissance de la mécanique quantique et de la physique moderne d'Einstein. Au cours des dernières décennies, des gens comme lui ont dû passer dans des départements de mathématiques, où ils sont beaucoup plus à l'aise.
«Les expérimentateurs, y compris les créateurs d'ordinateurs quantiques, ne se soucient que de leurs propres conceptions. À quelques exceptions près, ils ne sont pas intéressés par ce que l'on sait de la capacité de ces appareils en général. Cela affecte leur mentalité et leur fait donner des évaluations non rationnelles, mais émotionnelles », explique le chercheur.
Par exemple, il n'y a toujours aucune preuve claire que les ordinateurs quantiques peuvent surpasser leurs homologues classiques en termes de vitesse de calcul. Dans le même temps, précise Biamonte, si l'on généralise tous les modèles simplifiés démontrant certains aspects de cette supériorité, on obtiendra des preuves assez convaincantes en faveur de la supériorité des calculateurs quantiques.
«D'un côté, Aleksey Ustinov, Aleksandr Zagoskin et d'autres leaders dans ce domaine ont raison: un ordinateur quantique n'est vraiment pas à venir. Par contre, dans ce cas, nous parlons de machines universelles capables de corriger leurs propres erreurs », note le physicien.
L'absence d'une telle capacité dans un ordinateur, souligne Biamonte, ne le rend pas absolument inutile ou inférieur.
Machine à ajouter atomique
«Il existe d'innombrables exemples de divers systèmes quantiques dans la nature qui n'ont pas cette capacité. Leur comportement est très difficile à calculer à l'aide d'ordinateurs ordinaires. Par conséquent, la création d'un système quantique qui simule de tels processus nous permettra d'effectuer les calculs appropriés et d'obtenir quelque chose d'utile », explique le scientifique.
Cette idée est loin d'être nouvelle - elle a été exprimée par le célèbre physicien américain Richard Feynman deux ans seulement après la publication des premiers articles de Manin. Comme l'a noté Biamonte, les expérimentateurs ont activement développé de tels systèmes au cours des dernières années, et les théoriciens réfléchissent à leurs applications.
De tels dispositifs de calcul analogique, les soi-disant ordinateurs adiabatiques, ou «recuit» dans le jargon des physiciens, n'ont pas à utiliser d'effets quantiques - pour de nombreux problèmes, les interactions classiques entre les atomes sont suffisantes.
«Il existe trois types d'ordinateurs de ce type: les machines de recuit classiques, leurs homologues à accélération quantique et les processeurs quantiques à part entière basés sur des portes logiques quantiques. Ces derniers ont été créés dans les laboratoires IBM, le premier - à Fujitsu, le second - à D-Wave », explique le scientifique.
Biamonte et ses collègues Skoltech sont les plus intéressés par les machines de troisième classe. De tels dispositifs, a-t-il dit, sont assez difficiles à créer, mais ils peuvent être utilisés pour résoudre les problèmes d'optimisation les plus complexes: de l'apprentissage automatique au développement de nouveaux médicaments.
«Ces machines sont très intéressantes, mais les premiers vrais appareils de ce type n'apparaîtront que dans quelques années. D'un autre côté, il est possible de créer des recuits classiques et quantiques dès maintenant. Et maintenant, dans la pratique, ils restent les plus utiles des ordinateurs quantiques », ajoute Biamonte.
De nombreux processus en physique des particules, poursuit le chercheur, sont programmés par la nature pour s'optimiser, s'efforçant d'atteindre un minimum d'énergie. En conséquence, si nous apprenons à contrôler ces processus, nous pouvons faire en sorte qu'un ensemble d'atomes ou d'autres objets fassent ces calculs pour nous.
«Pourquoi perdre énormément de temps CPU sur une telle optimisation, si cela peut être fait par un dispositif de recuit classique ou un dispositif quantique similaire à D-Wave? Au sens figuré, pourquoi, en étudiant le vent, utiliser une soufflerie virtuelle, si nous en avons déjà une vraie? De nombreuses entreprises russes y réfléchissent et nous coopérons activement avec elles », souligne le scientifique.
La réussite de ces expériences ouvrira la voie au développement d'agents de recuit quantique, dans lesquels les principes de la physique quantique sont utilisés pour accélérer les interactions entre les atomes et d'autres particules. Bien sûr, certaines tâches scientifiques ne leur seront pas disponibles, mais ils pourront résoudre de nombreux problèmes quotidiens, comme l'optimisation du trafic ou la gestion de portefeuille d'actions.
La plupart des observateurs, note le professeur Skoltech, pensent que Google gagnera dans la course quantique. Biamonte n'est pas d'accord avec cela: les représentants de la société californienne aiment beaucoup parler de leurs succès, mais ils ne publient presque jamais d'articles scientifiques et ne révèlent pas les secrets de l'appareil de leurs machines quantiques.
À son avis, les ingénieurs d'IBM sont les plus proches de l'objectif: les ordinateurs de cette entreprise fonctionnent vraiment et peuvent être vérifiés à tout moment grâce à des systèmes cloud spéciaux. Mais l'échelle est encore assez limitée et ces machines ne peuvent pas encore être utilisées pour résoudre des problèmes complexes.
Penser les galaxies
Si de tels systèmes «sérieux» sont créés dans un futur proche, une question naturelle se pose: de quoi peuvent-ils être faits, quelle taille peuvent-ils atteindre et comment vont-ils affecter notre vie?
Selon Biamonte lui-même, il n'y a pas de limitations physiques fondamentales pour les ordinateurs quantiques (ou dispositifs de recuit) avec des millions de qubits. D'un autre côté, on ne sait pas du tout combien de qubits il y aura en réalité, puisque nous sommes maintenant aux tout premiers stades du développement des technologies quantiques.
«Jusqu'à présent, nous essayons d'adapter les technologies déjà disponibles dans l'industrie électronique pour fonctionner avec des ordinateurs quantiques. Cependant, personne n'est sûr que ce soit la bonne voie. Il existe des systèmes bien mieux adaptés à la construction de machines quantiques. Ils sont cependant beaucoup plus difficiles à gérer », explique le scientifique.
Par exemple, les défauts spéciaux à l'intérieur des diamants sont presque aussi bien isolés du monde extérieur que les atomes isolés dans le vide de l'espace. Combien de ces points peuvent contenir dans un diamant et à quel point ils peuvent être proches les uns des autres sans interférer avec le travail des voisins n'est toujours pas clair. La réponse à ces questions détermine si les diamants seront utilisés dans les ordinateurs quantiques.
De très grandes machines quantiques, comme l'a noté le professeur Skoltech, résoudront non seulement les problèmes pratiques liés à la vie humaine quotidienne, mais aussi les mystères scientifiques les plus intéressants.
Peut-être vont-ils révéler la nature quantique de la gravité et tester les théories de Biamonte sur la symétrie du temps en observant s'ils sont particulièrement perturbés lorsqu'ils tentent de briser cette symétrie ou d'inverser le temps lors de l'exécution de calculs sur de telles machines.
Quand l'humanité aura fait face à ces tâches, que fera la science ensuite? Cette question, dit Biamonte, est paradoxalement liée à la recherche d'une vie extraterrestre et à la façon dont les représentants de civilisations extraterrestres peuvent signaler leur existence.
Imur Sabirov (Skoltech). Jacob Biamonte et ses collègues des laboratoires quantiques profonds.
«Imaginez que nous soumettons toute l'énergie et la puissance de l'univers. Que ferons-nous en premier? Bien sûr, nous pouvons nous détruire, mais il existe un scénario plus intéressant. Par exemple, nous aurons la possibilité d'accélérer le mouvement de la Terre à des vitesses ultra-élevées et de laisser un ordinateur en orbite », explique le physicien.
Selon la théorie de la relativité, le temps sur la planète ralentira. Si nous passons des dizaines d'années dans cet état, une machine de calcul quantique ou un ordinateur ordinaire dans le «monde extérieur» fonctionnera pendant plusieurs millénaires. De plus, ce n'est pas forcément un ordinateur artificiel, son rôle peut être joué par divers objets spatiaux - des nuages de gaz géants, par exemple.
«À quelle fréquence pouvez-vous faire cela? Il n'y a pas de limite explicite à une telle "accélération des calculs", mais nous savons tous que l'Univers tardif ne sera pas un endroit très intéressant pour nous. Les étoiles commenceront progressivement à s'estomper et les galaxies deviendront invisibles les unes aux autres en raison de l'expansion de l'univers », note le professeur.
Des réflexions similaires soulèvent une question naturelle: si l'humanité peut le faire, qu'est-ce qui empêche les extraterrestres de faire de même? En conséquence, certaines traces d'un tel calcul quantique «spatial» ou de leurs équivalents classiques doivent être présentes dans l'espace. Qu'est-ce qui indiquerait cela, les ordinateurs quantiques géants des extraterrestres?
«Je ne peux pas donner une réponse exacte à la question de savoir ce que cela pourrait être ou suggérer comment les rechercher. Dans le même temps, l'existence de telles «calculatrices universelles» me paraît beaucoup plus probable que l'émergence spontanée de «planètes intelligentes» et d'autres objets cosmiques capables de prendre conscience d'eux-mêmes, ce qui est souvent discuté par les philosophes «quantiques» », conclut Biamonte.