Le futur, le vrai, ce n’est pas l’IA, mais le quantique. C’est ce qu’a l’air de penser, en tous cas, la 14 ème personne la plus riche du monde, Jensen Huang, qui organisait le 20 mars un Quantum Day, où il annonçait notamment l’ouverture d’un laboratoire de recherche quantique à Boston. En France, deux start-ups seraient dans les starting-blocks pour remporter la course à l’ordinateur du futur. Directeur de recherche à l’Institut de Recherche en Informatique Fondamentale, Frédéric Magniez explique.
En quoi consiste l’informatique quantique, au juste ?
Frédéric Magniez : On pourrait croire qu’on a l’habitude de cette question, mais c’est toujours un effort, pour nous, d’y répondre… Il s’agit de voir ce que calculer avec un ordinateur signifie. Qu’est-ce qu’un calcul, qui utilise une mémoire qui n’est pas dans un état prédéterminé comme on en a l’habitude, mais un état quantique ? La physique quantique est déjà utilisée pour la miniaturisation des processeurs. Mais ces processeurs servent à manipuler de l’information classique dans une mémoire classique très petite, et ce très rapidement. Un ordinateur quantique utiliserait au contraire la physique quantique pour contrôler et manipuler une mémoire quantique, et donc de l’information quantique. Les particules sont dans des états quantiques. Mais avoir une mémoire d’ordinateur, c’est-à-dire un objet macroscopique, dans un état quantique est un véritable défis. C’est peut-être même impossible. Si on pouvait contrôler cette mémoire quantique, comme on contrôle la mémoire d’un ordinateur, on aurait accès à de nouvelles possibilités de calcul. En revanche, expliqué ce qu’est un état quantique, et donc une mémoire quantique, est hélas très difficile sans parler du modèle mathématique.
Là où un ordinateur classique manipule des bits d’information (des 0 ou des 1), un ordinateur quantique manipule ce que l’on appelle des bits quantiques, ou qubits. Ces derniers peuvent être dans l’état 0 ou 1 mais aussi dans une superposition de ces états. Pour certains types de problèmes, cette propriété de la mécanique quantique permet d’accélérer significativement la vitesse de calcul.
En fait, on n’accélère pas la vitesse de calcul. On calcule différemment. Un ordinateur quantique n’effectuera pas plus vite une suite de calcul. Il sera même sans doute plus lent car l’ingénierie nécessaire est beaucoup plus compliquée. Cependant, il aura accès à certaines « super-instructions », inexistantes sur nos ordinateurs. C’est comme si vous rajoutiez ces instructions à votre langage de programmation. En revanche, les autres instructions ne vont pas être accélérées. Ma recherche consiste en particulier à répondre à la question suivante : Pour quel problème, ce potentiel, ces super-instructions, vont-elles être utiles ? Souvent, il s’agit de problèmes en lien avec la simulation de systèmes physiques, ou encore en lien avec des fonctions périodiques, comme on les trouve dans l’algorithme de factorisation de Shor.
En 2019, Google annonçait avoir atteint ce que le physicien américain John Preskill baptisait la « suprématie quantique. » Qu’est-ce donc ?
C’est réaliser un calcul à l’aide d’un processeur quantique. Lui-même, peut être assisté par un ordinateur classique, voire un super calculateur qui est donc augmenté par ce processeur quantique. Cet ordinateur augmenté réalise donc un calcul qu’on ne pourrait pas faire sans lui, à moins d’attendre très très longtemps (on parle de milliers d’années). Le but est de montrer qu’il y a quelque chose qu’on ne peut pas réaliser sans utiliser les ressources quantiques. C’est une question quasi-philosophique. Certains pensent qu’on ne pourra pas passer à un état macroscopique de mémoire quantique. Réaliser un tel calcul permettrait au fond de montrer qu’on peut le faire, mais aussi de certifier qu’on l’a bien fait, puisqu’il serait impossible de faire ce calcul autrement. Peut-être qu’il y a une limite à la taille de cette mémoire quantique réalisable, et que cette limite correspond exactement à ce qu’on sait faire sans mémoire quantique…
Quel rôle le quantique peut-il jouer dans l’avenir de la technologie ?
Les enjeux sont très grands. C’est pour ça qu’il y a énormément de financements qui arrivent du monde privé, des États, pour essayer de rester dans la course. Si on arrive à créer un ordinateur quantique suffisamment performant pour réaliser certaines tâches, de simuler la physique quantique, on pourrait faire des expériences de façon virtuelle où l’on contrôlerait tous les paramètres. On va donc apprendre beaucoup plus vite. Potentiellement, on va faire des découvertes, dans des domaines où cette simulation serait rendue possible. Dans lesquels ? C’est risqué de le dire. Ceux qui le font parlent de médicaments, d’engrais, de batteries. Il y a donc une course dans la maîtrise de la réalisation d’un ordinateur quantique et des algorithmes qu’on pourra réaliser dessus.
Après, il y a aussi de nouvelles technologies qui sont en train d’être développées dans cette course et qui auront un impact au-delà de l’informatique quantique. On parle de capteurs de meilleures qualité, d’horloges de plus grande précision, de GPS sans satellite. On profitera de cet élan de développement du contrôle de l’information quantique pour faire des choses d’une telle précision que ça aura nécessairement d’autres impacts pour toutes les technologies de haute précision, de communication, et certains disent aussi militaires. Au niveau du calcul, ce sera sans doute plutôt, d’abord, au niveau de la simulation quantique. Peut-être aussi de la cryptographie. En effet, si on arrive à factoriser avec l’algorithme de Shor, il y a un énorme pan de la cryptographie moderne qui s’effondre. Celle qu’on appelle « à clé publique », qui est beaucoup utilisée de nos jours. Il y a d’ailleurs une compétition en cours pour changer de standardisation, car tout ce qui est échangé aujourd’hui sur internet par exemple, peut être enregistré dès à présent, dans l’attente de cet ordinateur quantique, pour être déchiffrer plus tard.
Quand est-ce que tout cela pourrait arriver ?
Cela pourrait ne jamais arrivé ! Et ce ne sera pas demain… On parle de millions de bits quantiques nécessaires avant d’avoir les premières applications, même peut être plus. Au fond une clé USB a déjà des milliards de bits, mais classiques. Les meilleures calculateurs quantiques sont de quelques milliers de bits quantiques, avec des erreurs, un chiffre que certaines des start-ups en France atteignent. Mais il commence à y avoir des start-ups qui se projettent, qui se demandent comment on peut faire pour atteindre le million. Est-ce qu’on est en dizaines d’années ? Moins ? Je ne sais pas.
Les Échos ont écrit que des start-ups françaises comme Pasqal ou Alice & Bob seraient « dans les starting-blocks pour remporter la course à l’ordinateur du futur. » La France peut-elle être à l’avant-garde de la révolution quantique ?
Je pense qu’on l’est. Mais je ne sais pas si on a les moyens. L’État donne beaucoup. J’ai travaillé avec Pasqal et ils ont été pionnier sur une approche très originale qui a porté ses fruits. Mais d’autres start-ups, aux Etats-Unis, font maintenant la même chose. Peut-être avec plus de moyens… Si on savait quelle technologie fonctionnerait, on pourrait mettre tous les efforts dessus. J’ai l’impression que de grands groupes américains, comme Google, ont les moyens de faire ça une technologie cible, en misant le tout pour le tout. Quand je parle à mes collègues physiciens, j’ai l’impression qu’on a donc un excellent terreau en France. Mais je ne sais pas si ces start-ups pourront gagner la course au million de qubits face, par exemple, aux Etats-Unis.
