Les ordinateurs quantiques suscitent depuis plusieurs années de nombreux espoirs et, en même temps, des craintes. Selon les optimistes, ils permettront une nouvelle avancée dans le domaine de la technologie informatique et seront capables de résoudre des problèmes complexes que les machines existantes les plus puissantes ne peuvent pas résoudre. Les pessimistes estiment que tous ces qubits dans les « lustres » n’apporteront rien aux utilisateurs ordinaires, sauf de nouveaux défis dans le domaine de la cryptographie et de la protection des données personnelles. Sergey Golubenko explique aux lecteurs de ForkLog comment sont structurés les ordinateurs quantiques qui existent déjà au début de 2024 et à quel point les craintes à leur sujet sont justifiées.
En 1965, l’ingénieur américain Gordon Moore a découvert une tendance : le nombre de transistors sur les microcircuits double environ tous les deux ans. Ce constat s’est confirmé au fil du temps : la puissance des appareils informatiques continue de croître de manière exponentielle et constante :
Cependant, en 2007, Moore lui-même a suggéré que le modèle qu’il avait découvert cesserait bientôt de fonctionner – ce sont les lois de la physique. Depuis plusieurs années, j’appelle les systèmes informatiques quantiques (QCS), dont nous parlerons aujourd’hui, la voie la plus prometteuse pour sortir de cette impasse.
Leur différence la plus importante par rapport aux ordinateurs conventionnels réside dans la manière dont ils stockent et traitent les informations. Les machines traditionnelles, construites sur des puces de silicium, contiennent des millions de transistors. Agissant comme des « commutateurs » miniatures, chacun d’eux peut être en position « on » (« 1 ») ou « off » (« 0 »). Par la suite, l’ordinateur stocke et traite les données à l’aide d’un système binaire (code) et en manipulant les bits de données.
Les QBC fonctionnent sur des qubits (bits quantiques) et peuvent être construits de différentes manières : via des circuits électriques supraconducteurs ou via des ions individuels capturés dans des pièges magnétiques.
Pour comprendre ce processus, il faut aller au-delà de la perception habituelle du monde et entrer dans le domaine de l’espace quantique, où les qubits ont un plus grand potentiel, ayant la capacité d’être dans plusieurs états simultanément. Ce phénomène est appelé superposition. L’état quantique permet à un qubit de prendre la valeur non seulement de un ou de zéro, mais de n’importe quelle valeur intermédiaire, ou des deux en même temps, tout comme dans l’expérience de pensée « Le chat de Schrödinger ».
Et le plus intéressant : l’aventure des probabilités de valeurs s’arrête aussitôt dès qu’intervient un observateur, qui ne souhaite qu’un résultat « oui » ou « non ». Ce chercheur, opérateur d’ordinateur quantique, utilisant un algorithme spécial, ne reçoit que la réponse « 1 » ou « 0 ». La présence d’un qubit en superposition permet au KVS de traiter en parallèle une quantité de données nettement plus importante qu’un ordinateur classique.
Créer un qubit unique et le contrôler ne constitue qu’une partie de la tâche. En plus de la superposition, les qubits subissent également une « intrication quantique », une autre propriété clé de la mécanique quantique dans laquelle l’état d’un qubit peut dépendre d’un autre. En termes simples, si vous « emmêlez » deux qubits et envoyez l’un d’eux, par exemple, sur une distance de plusieurs dizaines de kilomètres via la fibre optique, alors ils maintiendront la communication et sauront tout les uns des autres. Cela ouvre des possibilités inimaginables dans le transport d’informations basées sur le cryptage quantique. Mais cette technologie présente des faiblesses : les particules ont tendance à se perdre en cours de route et ne parviennent donc pas toutes à atteindre la ligne d’arrivée.
Les particules agissant comme des qubits sont extrêmement sensibles aux excitations aléatoires – les moindres effets thermiques ou le champ électromagnétique d’un objet voisin. Pour cette raison, l’ordinateur quantique ne produit jusqu’à présent la bonne réponse qu’avec une probabilité de 98 à 99 %. Pour maintenir un fonctionnement stable, chaque paire de qubits est placée dans un vide froid, où il n’y a rien d’autre qu’eux. Des questions se posent : comment organiser le stockage d’un qubit et quelles particules peuvent lui jouer le rôle ?
Prenons l’exemple d’un ordinateur qui utilise des particules ioniques dotées d’une nature quantique comme qubits. Tâche : donner à une particule naturelle appropriée (dans notre cas, un ion) la valeur « 1 » ou « 0 », qu’elle prend respectivement au nord ou au sud de l’équateur de la sphère de Bloch. Cela vous permet de créer des « robinets » qui peuvent être contrôlés (changer la valeur des probabilités à l’intérieur d’une particule) à l’aide d’une programmation de bas niveau. Et pour capturer une telle paire d’ions et les maintenir en étroite intrication, il existe un piège spécial à champs électromagnétiques. Le résultat est une paire d’ions intriqués qui peuvent être manipulés en les plaçant dans un vide froid.
Les technologies suivantes sont utilisées en informatique quantique :
- qubits supraconducteurs (ou courants sur les cristaux) ;
- qubits photoniques — génération et contrôle de quanta de lumière intriquée à l’aide d’un équipement optique pendant plusieurs heures à température ambiante ;
- qubits d’ions dans des pièges magnétiques — une chaîne de noyaux d’ions chargés retenus par des champs électromagnétiques dans un vide froid ;
- points quantiques à l’état solide sur semi-conducteurscontrôlé par un champ électromagnétique ou des impulsions laser ;
- quasiparticules dans les ordinateurs quantiques topologiques – des états collectifs d’amas d’électrons, photons « gelés » ou fermions de Majorana, qui se comportent comme des particules à l’intérieur de semi-conducteurs ou de supraconducteurs.
Ensuite, vous devez comprendre les principes de fonctionnement des ordinateurs quantiques et montrer leur différence par rapport aux ordinateurs classiques.
Un ordinateur quantique est un système combiné analogique-numérique qui fonctionne sur le principe des « valeurs de probabilité multiples » et permet, grâce à un algorithme donné, d’obtenir un échantillon des implémentations finales de cet algorithme. Un ordinateur classique est une machine numérique qui traite les informations sous forme discrète sous forme de chaîne de uns et de zéros.
Ici, une autre question logique se pose : comment les données analogiques reçues peuvent-elles être converties sous la forme numérique habituelle ? À l’aide de systèmes de conversion de signal, les scientifiques ont effectué une programmation de bas niveau des particules. Et des travaux sérieux battent désormais leur plein dans ce domaine : il faut s’assurer que le programmeur écrit du code de haut niveau sans connaissances supplémentaires approfondies en physique et en chimie.
Un autre problème urgent est qu’à ce stade, les ordinateurs quantiques sont de conception massive et ne peuvent être placés que dans de grandes pièces. La forme « lustre », utilisée à ces fins dans les technologies supraconductrices d’IBM et de Google, est considérée comme la plus pratique. Cette conception se compose de nombreux fils de cuivre qui relient toutes les parties de l’ordinateur : des amplificateurs de signal qubit, des bobines supraconductrices, un processeur quantique, diverses protections contre les rayonnements et les ondes électromagnétiques. Et tout cela dans le vide. Si le laboratoire utilise d’autres technologies qubits, les formes de conception de ces ordinateurs peuvent être très différentes et même ressembler à une unité serveur classique.
Les propriétés particulières des qubits (supraconductivité, superfluidité, etc.) ne commencent à apparaître qu’à des températures proches de zéro absolu. Pour refroidir le processeur quantique, il est nécessaire d’utiliser des unités à hélium ou à azote.
Dans quelle mesure de tels efforts sont-ils justifiés ?
Si l’on compare la puissance de calcul potentielle, alors dans un ordinateur classique, elle est directement liée au nombre de bits : l’ajout d’un transistor augmente la mémoire de 1 bit). En quantique, l’ajout d’un qubit double immédiatement la mémoire. Comme nous l’avons déjà dit, 1 qubit n’a que deux états (« 0 » ou « 1 »), et grâce à l’intrication, 10 qubits ont déjà 1024 états ; eh bien, une centaine de qubits ont 2 à la puissance 100e des états.
De toute évidence, il y a quelque chose pour lequel il faut se battre ici. Mais la tâche principale est de maintenir le niveau approprié de qualité d’intrication des nouvelles paires de qubits, car une simple augmentation de leur nombre n’entraînera pas une augmentation des performances de l’ordinateur et n’assurera pas la « suprématie quantique ».
Géants de la tech et startups : les ordinateurs quantiques aujourd’hui
Actuellement, les sociétés suivantes, les centres de recherche gouvernementaux et les jeunes projets indépendants ont obtenu le plus grand succès dans le domaine de la création du KVS.
IBM
La flotte d’ordinateurs quantiques de l’entreprise comprend déjà plus de 20 machines dont l’accès est organisé via le service cloud IBM Quantum Experience. En décembre 2023, le premier ordinateur quantique modulaire, IBM Quantum System Two, a été présenté au Quantum Summit. Il est basé sur le processeur Heron de 133 qubits, que les représentants de l’entreprise considèrent comme le plus productif au monde. IBM a également annoncé le processeur Condor avec 1 121 qubits et une densité de qubits 50 % supérieure.
En 2019, les employés du géant de la technologie ont annoncé avoir atteint la suprématie quantique grâce à l’ordinateur Sycamore de 53 qubits sur supraconducteurs (cependant, cet exploit a été contesté par IBM). Le test, selon les critiques, était plutôt une « performance de démonstration » dans la course quantique. Depuis, les chercheurs ont pu ajouter 17 qubits supplémentaires aux performances de Sycamore. Il effectue désormais en quelques secondes des calculs qui prendraient 47 ans à un supercalculateur moderne.
Google, comme IBM, a suivi la voie éprouvée consistant à utiliser des puces classiques, en introduisant des qubits via des supraconducteurs.
Xanadu
Cette entreprise canadienne a annoncé le lancement du dernier ordinateur quantique, Borealis, au printemps 2022, en le déployant dans le cloud et en le rendant public. Cet ordinateur est équipé de 216 qubits de photons. Selon Nature, le système a réussi à surmonter la barrière de supériorité quantique imposée par l’algorithme. Et alors que le supercalculateur moderne le plus puissant mettrait environ 9 000 ans pour réaliser cette opération, Borealis l’a réalisé en seulement 36 microsecondes.
Informatique atomique
La société californienne a créé le premier ordinateur quantique de 1 180 qubits au monde utilisant des atomes neutres piégés par des lasers dans une grille bidimensionnelle. En conséquence, dans l’ordinateur Atom Computing, les bits quantiques peuvent fonctionner sans erreur pendant près d’une minute, alors que le même indicateur dans l’ordinateur IBM n’était que de 70 à 80 microsecondes.
Université des sciences et technologies de Chine
En décembre 2020, des scientifiques chinois ont rapporté que leur ordinateur Jiuzhang, alimenté par des photons intriqués, avait atteint la suprématie quantique. En 200 secondes, ils ont réalisé avec succès des calculs que l’ordinateur numérique le plus rapide du monde aurait réalisé en seulement un demi-milliard d’années.
Informatique quantique et crypto-monnaies
Il existe une opinion selon laquelle les ordinateurs quantiques seront capables dans un avenir proche de pirater les blockchains et, par exemple, de détruire Bitcoin. Ces inquiétudes ne sont pas sans fondement, mais il est important de rappeler deux nuances.
Premièrement, la menace concerne davantage les blockchains PoW, où le décryptage du hachage extrait est menacé. Deuxièmement, le cryptage RSA (l’alternative la plus courante à la cryptographie à courbe elliptique) peut être plus résistant aux quantiques. Cependant, en ce qui concerne le décryptage traditionnel, il est généralement admis que le contraire est vrai.
D’un point de vue mondial, tout dépendra de la rapidité avec laquelle les cryptographes réagiront aux défis potentiels en résolvant le problème de la protection contre le piratage quantique.
Il existe déjà des exemples d’entreprises de la cryptosphère qui ont déclaré leur pleine stabilité quantique : Registre résistant aux quantiques avec sa crypto-monnaie QRL, ainsi que la technologie de distribution de clés QKD de JPMorgan – pour protéger la blockchain de l’informatique quantique. Pour implémenter la stabilité quantique, QRL utilise IETF XMSS, un schéma de signature sécurisé basé sur un hachage direct avec des hypothèses de sécurité minimales, où XMSS est un schéma de signature Merkle étendu.
Le mouvement vers des blockchains modulaires semble également positif. En raison de leur structure, ils facilitent la mise en œuvre plus facile des signatures quantiques et résoudront à l’avenir le problème des opérateurs de nœuds de distribution afin d’améliorer la décentralisation et la sécurité des registres distribués.
En résumé, les efforts combinés de la blockchain et de l’informatique quantique contribueront à créer des solutions informatiques plus sécurisées et potentiellement révolutionnaires qui résoudront à terme une série de problèmes cryptographiques et vitaux.
Que nous assistions à un hard fork quantique du Bitcoin ou à un Internet quantique mondial est, à notre avis, une question de temps.
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