Les progrès rapides dans le type de problèmes que les ordinateurs quantiques peuvent résoudre suggèrent qu’ils sont plus près que jamais de devenir des outils utiles de découverte scientifique.
Les ordinateurs quantiques pourraient nous aider à comprendre le comportement des objets quantiques
Au cours de la dernière année, j'ai continué à raconter la même histoire à mon éditeur : les ordinateurs quantiques sont sur le point de devenir utiles à la découverte scientifique.
Bien sûr, cela a toujours été l’objectif. L’idée d’utiliser des ordinateurs quantiques pour mieux comprendre notre univers fait partie de leur histoire d’origine, et elle a même figuré dans un discours de Richard Feynman en 1981. En réfléchissant à la meilleure façon de simuler la nature, il a écrit : « Nous pouvons abandonner notre règle sur ce qu’était l’ordinateur, nous pouvons dire : que l’ordinateur lui-même soit construit à partir d’éléments de mécanique quantique qui obéissent aux lois de la mécanique quantique. »
Aujourd'hui, la vision de Feynman a été concrétisée par Google, IBM et des dizaines d'autres entreprises et équipes universitaires. Leurs appareils sont désormais utilisés pour simuler la réalité au niveau quantique – et voici quelques faits saillants.
Pour moi, les développements quantiques de cette année ont commencé avec deux études qui ont atterri sur mon bureau en juin et qui traitaient de la physique des particules de haute énergie. Deux équipes de recherche distinctes ont utilisé deux ordinateurs quantiques très différents pour simuler le comportement de paires de particules dans des champs quantiques. L'un utilisait la puce Sycamore de Google, constituée de minuscules circuits supraconducteurs contrôlés par des micro-ondes, et l'autre utilisait une puce produite par la société d'informatique quantique QuEra, basée sur des atomes extrêmement froids contrôlés par des lasers et des forces électromagnétiques.
Les champs quantiques codent la manière dont une force, telle que la force électromagnétique, agirait sur une particule en n’importe quelle position dans l’univers. Ils ont également une structure locale qui dicte les comportements que vous devriez observer si vous zoomez sur une particule. De tels champs sont difficiles à simuler dans le cas de la dynamique des particules – lorsque la particule fait quelque chose au fil du temps et que vous souhaitez en faire quelque chose qui ressemble à un film. Pour deux versions très simplifiées des champs quantiques qui apparaissent dans le modèle standard de la physique des particules, les deux ordinateurs quantiques se sont attaqués à cette tâche précise.
Jad Halimeh de l'Université de Munich, qui travaille dans le domaine mais n'a participé à aucune des deux expériences, m'a même dit qu'une version plus musclée de ces expériences, simulant des champs plus complexes sur des ordinateurs quantiques plus grands, pourrait éventuellement nous aider à comprendre ce que font les particules à l'intérieur des collisionneurs de particules.
Trois mois plus tard, j'étais au téléphone avec deux autres équipes de chercheurs, discutant à nouveau de ces deux mêmes types d'ordinateurs quantiques, désormais mis au service de la physique de la matière condensée. La physique de la matière condensée me tient à cœur parce que je l'ai étudiée lors de mes études supérieures, mais son impact s'étend bien au-delà des penchants de cet chroniqueur. Cela a été particulièrement crucial pour le développement des technologies de semi-conducteurs qui sont à la base des appareils quotidiens tels que les téléphones intelligents.
En septembre, des chercheurs de l’Université Harvard et de l’Université technique de Munich en Allemagne ont utilisé des ordinateurs quantiques pour simuler deux phases exotiques de la matière qui avaient été prédites en théorie mais qui avaient échappé aux expériences plus traditionnelles. Les ordinateurs quantiques se sont révélés capables de prédire les propriétés de ces matériaux étranges, ce que la culture et l’analyse des cristaux en laboratoire n’ont pas réussi jusqu’à présent à accomplir.
Octobre a apporté la perspective d'une utilisation pratique d'un nouvel ordinateur quantique supraconducteur de Google, appelé Willow. Les chercheurs de l'entreprise et leurs collègues ont utilisé Willow pour exécuter un algorithme pouvant être utilisé pour interpréter les données de la spectroscopie de résonance magnétique nucléaire (RMN), une technique couramment utilisée pour étudier les molécules dans la recherche biochimique.
Bien que la démonstration de l'équipe avec des données réelles de RMN n'ait pas permis d'accomplir quelque chose qu'un ordinateur traditionnel ne pouvait pas faire, les mathématiques de l'algorithme promettent de dépasser un jour les capacités des machines classiques, permettant aux chercheurs d'apprendre des détails sans précédent sur les molécules. La rapidité avec laquelle cela se concrétisera dépend du rythme auquel le matériel informatique quantique s’améliore.
Un mois plus tard, un troisième type d’ordinateur quantique est entré dans la conversation. Une société appelée Quantinuum a montré que son ordinateur quantique Helios-1, fabriqué à partir d’ions piégés, peut exécuter des simulations d’un modèle mathématique pour une conductivité électrique parfaite, ou supraconductivité. Parce qu’ils conduisent l’électricité sans aucune perte, les supraconducteurs peuvent ouvrir la porte à une électronique extrêmement efficace ou même rendre le réseau électrique plus durable. Cependant, tous les supraconducteurs connus fonctionnent uniquement sous haute pression ou à température extrêmement basse, ce qui les rend peu pratiques. Un modèle mathématique qui révèle exactement pourquoi certains matériaux supraconducteurs constitueraient un tremplin crucial vers la construction de supraconducteurs utiles.
Helios-1 a simulé ce que Henrik Dryer, chercheur à Quantinuum, m'a dit être probablement le modèle de ce type le plus important ; celui qui retient l'attention des physiciens depuis les années 1960. Et même si cette simulation spécifique n’a pas offert de nouvelles perspectives radicales sur la supraconductivité, elle a néanmoins annoncé que les ordinateurs quantiques seraient des acteurs précieux dans la quête de longue date des physiciens pour mieux les comprendre.
À peine une semaine plus tard, je me suis retrouvé au téléphone avec Sabrina Maniscalco de la société d'algorithmes quantiques Algorithmiq, pour discuter des métamatériaux. Il s'agit de matériaux dont les détails microscopiques peuvent être conçus pour avoir des propriétés spéciales que les matériaux naturels n'ont pas. Ils peuvent également être fabriqués sur mesure à des fins spécifiques, depuis des capes d'invisibilité rudimentaires jusqu'à des ingrédients chimiques capables d'accélérer les réactions.
Les métamatériaux sont également quelque chose dans lequel j'avais essayé en tant qu'étudiant diplômé, et l'équipe de Maniscalco a trouvé comment en simuler un à l'aide d'un ordinateur quantique IBM fabriqué à partir de circuits supraconducteurs. Plus précisément, ils pourraient suivre la manière dont un métamatériau brouille les informations, y compris dans des régimes où un ordinateur plus conventionnel pourrait avoir des difficultés. Bien que cela puisse sembler une configuration plutôt abstraite, Maniscalco m'a dit que cela pourrait faire progresser la recherche sur les catalyseurs chimiques ainsi que sur les batteries à semi-conducteurs et certains dispositifs qui convertissent la lumière en électricité.
Comme si la physique des particules, les nouvelles phases de la matière, les recherches moléculaires, les supraconducteurs et les métamatériaux ne suffisaient pas, alors que je rédigeais cet article, j'ai reçu une astuce concernant une étude dans laquelle une équipe de chercheurs de l'Université du Maryland aux États-Unis et de l'Université de Waterloo, au Canada, a utilisé un ordinateur quantique à ions piégés pour déterminer comment les particules liées par la forte force nucléaire se comportent à différentes températures et densités. On pense qu’une partie de ce comportement se produit à l’intérieur des étoiles à neutrons, qui sont des objets cosmiques mal compris, et qu’elle s’est également produite dans l’univers primitif.
Même si le calcul quantique de l'équipe impliquait des approximations qui ne correspondent pas tout à fait aux modèles les plus réalistes de la force forte, l'étude plaide en faveur d'un autre domaine de la physique dans lequel les ordinateurs quantiques sont en plein essor en tant que machines de découverte.
Certes, cette abondance d’exemples s’accompagne également d’une abondance de mises en garde et de points d’interrogation. La plupart des modèles mathématiques simulés sur du matériel quantique nécessitent un certain nombre de simplifications et d'approximations par rapport aux modèles les plus réalistes, la plupart des ordinateurs quantiques sont encore si sujets aux erreurs qu'ils nécessitent un post-traitement des résultats de leurs calculs pour atténuer ou supprimer ces erreurs, et la question de l'analyse comparative des résultats des ordinateurs quantiques par rapport à ce que les meilleurs ordinateurs conventionnels peuvent faire reste épineuse.
En termes simples, les méthodes traditionnelles de calcul et de simulation constituent un autre domaine dans lequel les progrès ont été rapides et encourageants, plaçant les chercheurs en informatique classique et quantique dans un va-et-vient dynamique où le calcul le plus complexe ou le plus rapide d'hier devient inévitablement le finaliste de demain. Au cours du mois dernier, IBM s'est même associé à plusieurs autres sociétés pour lancer un « outil de suivi des avantages quantiques » accessible au public, qui deviendra à terme un classement montrant où les ordinateurs quantiques devancent ou non leurs homologues conventionnels.
Mais même si les ordinateurs quantiques ne figureront pas bientôt en tête de liste, les reportages de l’année dernière ont quand même fait évoluer mes priorités vers l’enthousiasme et l’anticipation. En effet, ces expériences font passer les ordinateurs quantiques du statut de sujet d'étude scientifique à celui d'outils permettant de faire de la science, ce qui était impossible il y a quelques années à peine.
Au début de cette année, je m'attendais à écrire principalement sur des expériences d'analyse comparative, dans lesquelles des ordinateurs quantiques exécutent des protocoles qui mettent en valeur leur caractère quantique plutôt que de résoudre des problèmes utiles. De tels calculs servent souvent à mettre en évidence à quel point les ordinateurs quantiques sont différents des ordinateurs conventionnels et peuvent souligner leur potentiel à réaliser des choses radicalement nouvelles. Mais le chemin menant à un calcul utile pour un physicien en activité semblait long et pas du tout évident. Maintenant, quoique avec prudence, je pense que cette route pourrait être plus courte que ce à quoi je m'attendais. Je suis sûr que d’autres surprises quantiques m’attendront en 2026.
