La course bat son plein. Les plus grandes entreprises mondiales tentent de créer le premier ordinateur quantique, basé sur une technologie qui promet depuis longtemps aux scientifiques d'aider à développer de nouveaux matériaux merveilleux, à perfectionner le cryptage des données et à prévoir avec précision les changements du climat de la Terre. Une telle machine n'apparaîtra probablement pas avant dix ans, mais cela n'empêche pas IBM, Microsoft, Google, Intel et d'autres. Ils fragmentent littéralement des bits quantiques - ou qubits - sur une puce de processeur, littéralement. Mais le chemin de l'informatique quantique implique bien plus que la manipulation de particules subatomiques.
Un qubit peut représenter 0 et 1 en même temps, grâce au phénomène quantique unique de superposition. Cela permet aux qubits d'effectuer une énorme quantité de calculs en même temps, augmentant considérablement la vitesse et la capacité de calcul. Mais il existe différents types de qubits, et tous ne sont pas créés de la même manière. Dans une puce quantique en silicium programmable, par exemple, la valeur d'un bit (1 ou 0) est déterminée par le sens de rotation de son électron. Cependant, les qubits sont extrêmement fragiles et certains ont besoin de températures aussi élevées que 20 millikelvins - 250 fois plus froides que dans l'espace lointain - pour rester stables.
Bien entendu, un ordinateur quantique n'est pas qu'un simple processeur. Ces systèmes de nouvelle génération nécessiteront de nouveaux algorithmes, de nouveaux logiciels, des connexions et un tas de technologies encore à inventer qui bénéficieront d'une puissance de calcul colossale. De plus, les résultats des calculs devront être stockés quelque part.
«Si cela n'avait pas été aussi difficile, nous en aurions déjà fait un», déclare Jim Clark, directeur du matériel quantique chez Intel Labs. Au CES de cette année, Intel a dévoilé un processeur de 49 qubits, nommé Tangle Lake. Il y a quelques années, l'entreprise a créé un environnement virtuel pour tester les logiciels quantiques; il utilise le puissant supercalculateur Stampede (de l'Université du Texas) pour simuler un processeur de 42 qubits. Cependant, pour comprendre réellement comment écrire des logiciels pour les ordinateurs quantiques, il faut simuler des centaines, voire des milliers de qubits, dit Clarke.
Scientific American a interrogé Clarke sur les différentes approches de la construction d'un ordinateur quantique, pourquoi ils sont si fragiles et pourquoi tout cela prend si longtemps. Ce sera intéressant pour vous.
En quoi l'informatique quantique est-elle différente de l'informatique traditionnelle?
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Une métaphore courante utilisée pour comparer les deux types de calculs est une pièce de monnaie. Dans un processeur informatique traditionnel, le transistor est soit en tête, soit en queue. Mais si vous demandez à quel côté la pièce fait face lorsqu'elle tourne, vous direz que la réponse peut être les deux. C'est ainsi que fonctionne l'informatique quantique. Au lieu des bits habituels qui représentent 0 ou 1, vous avez un bit quantique qui représente à la fois 0 et 1 en même temps jusqu'à ce que le qubit cesse de tourner et entre dans un état de repos.
L'espace d'états - ou la capacité d'itérer sur un grand nombre de combinaisons possibles - est exponentiel dans le cas d'un ordinateur quantique. Imaginez que j'ai deux pièces en main et que je les lance en l'air en même temps. Lors de leur rotation, ils représentent quatre états possibles. Si je jette trois pièces en l'air, elles représentent huit états possibles. Si je jette cinquante pièces en l'air et que je vous demande combien d'états elles représentent, la réponse est un nombre que même le supercalculateur le plus puissant du monde ne peut pas calculer. Trois cents pièces - encore un nombre relativement petit - représenteront plus d'états que d'atomes dans l'univers.
Pourquoi les qubits sont-ils si fragiles?
La réalité est que les pièces de monnaie, ou qubits, finissent par cesser de tourner et s'effondrent dans un certain état, qu'il s'agisse de pile ou face. Le but de l'informatique quantique est de continuer à tourner en superposition dans un ensemble d'états pendant longtemps. Imaginez qu'une pièce de monnaie tourne sur ma table et que quelqu'un pousse la table. La pièce peut tomber plus rapidement. Le bruit, les changements de température, les fluctuations électriques ou les vibrations peuvent tous interférer avec le fonctionnement du qubit et entraîner la perte de ses données. Une façon de stabiliser certains types de qubits est de les garder au froid. Nos qubits fonctionnent dans un réfrigérateur de la taille d'un tonneau de 55 gallons et utilisent un isotope spécial de l'hélium pour les refroidir à près de zéro absolu.
En quoi les différents types de qubits diffèrent-ils les uns des autres?
Il existe pas moins de six ou sept types différents de qubits, et environ trois ou quatre d'entre eux sont activement envisagés pour une utilisation dans les ordinateurs quantiques. La différence est de savoir comment manipuler les qubits et les faire communiquer les uns avec les autres. Vous avez besoin de deux qubits pour communiquer l'un avec l'autre afin d'effectuer de gros calculs «intriqués», et différents types de qubits sont intriqués de différentes manières. Le type que j'ai décrit qui nécessite un refroidissement extrême est appelé un système supraconducteur, qui comprend notre processeur Tangle Lake et des ordinateurs quantiques construits par Google, IBM et d'autres. D'autres approches utilisent des charges oscillantes d'ions piégés - maintenues en place dans une chambre à vide par des faisceaux laser - qui agissent comme des qubits. Intel ne développe pas de systèmes à ions piégés car cela nécessite une connaissance approfondie des lasers et de l'optique,nous ne pouvons pas le faire.
Cependant, nous étudions un troisième type, que nous appelons qubits de spin silicium. Ils ressemblent exactement aux transistors en silicium traditionnels, mais fonctionnent sur un seul électron. Les qubits de spin utilisent des impulsions micro-ondes pour contrôler le spin d'un électron et libérer sa force quantique. Cette technologie est aujourd'hui moins mature que la technologie des qubits supraconducteurs, mais elle est sans doute beaucoup plus susceptible de se développer et de connaître un succès commercial.
Comment arriver à ce point d'ici?
La première étape consiste à fabriquer ces puces quantiques. Dans le même temps, nous avons effectué des simulations sur un supercalculateur. Pour exécuter le simulateur quantique d'Intel, il faut environ cinq trillions de transistors pour simuler 42 qubits. Il faut un million de qubits ou plus pour atteindre une portée commerciale, mais commencer avec un simulateur comme celui-ci peut créer l'architecture de base, les compilateurs et les algorithmes. Tant que nous n’avons pas de systèmes physiques qui comprendront de quelques centaines à un millier de qubits, on ne sait pas exactement quel type de logiciel nous pouvons utiliser. Il existe deux façons d'augmenter la taille d'un tel système: l'une consiste à ajouter plus de qubits, ce qui nécessitera plus d'espace physique. Le problème est que si notre objectif est de construire des ordinateurs avec un million de qubits, les mathématiques ne leur permettront pas de bien évoluer. Une autre façon est de compresser les dimensions internes du circuit intégré, mais cette approche nécessiterait un système supraconducteur, qui doit être énorme. Les qubits de spin sont un million de fois plus petits, nous recherchons donc d'autres solutions.
De plus, nous voulons améliorer la qualité des qubits, ce qui nous aidera à tester des algorithmes et à construire notre système. La qualité fait référence à la précision avec laquelle les informations sont communiquées au fil du temps. Alors que de nombreuses parties d'un tel système amélioreront la qualité, les gains les plus importants proviendront du développement de nouveaux matériaux et de l'amélioration de la précision des impulsions micro-ondes et d'autres composants électroniques de commande.
Récemment, le sous-comité américain sur le commerce numérique et la protection des consommateurs a tenu une audition sur l'informatique quantique. Que veulent savoir les législateurs sur cette technologie?
Il y a plusieurs auditions associées à différents comités. Si nous prenons l'informatique quantique, nous pouvons dire que ce sont des technologies informatiques pour les 100 prochaines années. Il est tout à fait naturel que les États-Unis et d'autres gouvernements s'intéressent à leur opportunité. L'Union européenne a un plan de plusieurs milliards de dollars pour financer la recherche quantique à travers l'Europe. La Chine a annoncé l'automne dernier une base de recherche de 10 milliards de dollars qui se concentrera sur l'informatique quantique. La question est: que pouvons-nous faire en tant que pays au niveau national? Une stratégie nationale pour l'informatique quantique devrait être gérée par les universités, le gouvernement et l'industrie, travaillant ensemble sur différents aspects de la technologie. Des normes sont absolument nécessaires en termes de communication ou d'architecture logicielle. Le travail est également un problème. Maintenant, si j'ouvre un poste vacant pour un expert en informatique quantique, les deux tiers des candidats seront probablement en dehors des États-Unis.
Quel impact l'informatique quantique peut-elle avoir sur le développement de l'intelligence artificielle?
En règle générale, les premiers algorithmes quantiques proposés se concentreront sur la sécurité (par exemple cryptographique) ou la chimie et la modélisation des matériaux. Ce sont des problèmes qui sont fondamentalement insolubles pour les ordinateurs traditionnels. Cependant, des tonnes de startups et de groupes de scientifiques travaillent sur l'apprentissage automatique et l'IA avec l'introduction d'ordinateurs quantiques, même théoriques. Compte tenu du délai requis pour le développement de l'IA, je m'attendrais à ce que les puces traditionnelles soient optimisées spécifiquement pour les algorithmes d'IA, ce qui à son tour aura un impact sur le développement des puces quantiques. Dans tous les cas, l'IA bénéficiera certainement d'un coup de pouce de l'informatique quantique.
Quand verrons-nous les ordinateurs quantiques en état de marche résoudre des problèmes du monde réel?
Le premier transistor a été créé en 1947. Le premier circuit intégré date de 1958. Le premier microprocesseur d'Intel - qui contenait environ 2500 transistors - n'est sorti qu'en 1971. Chacun de ces jalons a été séparé de plus d'une décennie. Les gens pensent que les ordinateurs quantiques sont imminents, mais l'histoire montre que les progrès prennent du temps. Si dans 10 ans nous avons un ordinateur quantique avec quelques milliers de qubits, cela changera définitivement le monde comme le premier microprocesseur l'a fait.
Ilya Khel
