Les affirmations selon lesquelles un ordinateur quantique est meilleur qu’un autre reposent sur des termes tels que l’avantage quantique ou la suprématie quantique, la tolérance aux pannes ou les qubits avec une meilleure cohérence – qu’est-ce que tout cela signifie ? Karmela Padavic-Callaghan passe au crible le bruit
Rendu 3D de la structure en forme de lustre d'un ordinateur quantique
Il y a onze ans, je commençais tout juste mon doctorat en physique théorique et, pour être honnête avec vous, je n'ai jamais pensé aux ordinateurs quantiques, ni écrit à leur sujet. Entre-temps, Nouveau scientifique Le personnel a travaillé dur pour élaborer le premier « Guide d'achat d'ordinateurs quantiques » au monde (nous avons toujours été en avance sur la courbe). En le parcourant, on découvre à quel point c'était une époque différente : John Martinis, de l'Université de Californie à Santa Barbara, a été salué pour avoir travaillé sur un ensemble de neuf qubits seulement, et la semaine dernière, il a reçu le prix Nobel de physique. Pendant ce temps, les ordinateurs quantiques fabriqués à partir d’atomes neutres, qui ont pris d’assaut le domaine ces dernières années, ne sont même pas mentionnés. Cela m’a amené à me demander : à quoi ressemblerait un guide d’achat d’ordinateurs quantiques aujourd’hui ?
Il existe actuellement environ 80 entreprises dans le monde qui fabriquent du matériel informatique quantique. Parce que je fais un reportage sur l’informatique quantique, j’ai eu la chance de voir de près cette industrie se développer – et d’entendre énormément d’argumentaires de vente. Si vous pensez qu'il est difficile de choisir entre un iPhone et un téléphone Android, essayez d'être sur la liste de presse de dizaines de start-ups d'informatique quantique.
Bien sûr, le marketing suscite beaucoup de battage médiatique, mais une partie de la difficulté de comparer ces appareils et ces approches vient du fait qu’il n’existe actuellement aucun consensus sur la meilleure façon de construire un ordinateur quantique. Par exemple, vous pouvez opter pour des qubits fabriqués à partir de circuits supraconducteurs, d’ions extrêmement froids, de lumière ou de plusieurs autres options. Comment peser les différences entre ces machines alors qu’elles comportent des pièces fondamentalement différentes ? Cela permet de se concentrer sur les performances de chaque ordinateur quantique.
Il s’agit d’un changement notable par rapport aux débuts de l’informatique quantique, où les champions de ces nouveaux dispositifs étaient déterminés par le nombre de qubits – les éléments de base du traitement de l’information quantique – dont disposait une machine. Plusieurs équipes de recherche ont désormais franchi la barrière des 1 000 qubits et la route vers un nombre toujours plus grand de qubits semble chaque jour plus claire. Les chercheurs étudient actuellement comment exploiter les techniques de fabrication standard, comme la fabrication de qubits à base de silicium et même l’utilisation de l’IA pour rendre leurs ordinateurs quantiques plus grands – et plus puissants.
Dans un monde idéal, plus de qubits signifierait toujours plus de puissance de calcul, car cela permettrait à l’ordinateur quantique de résoudre des problèmes plus complexes. Dans notre monde actuel, s'assurer que chaque nouveau qubit que vous ajoutez ne détériore pas les performances de ceux que vous possédez déjà s'est avéré être un énorme défi technique. Il ne s'agit donc pas seulement du nombre de qubits dont vous disposez, mais aussi de leur capacité à conserver les informations et de leur capacité à « se parler » sans que ces informations ne se dégradent. Un ordinateur quantique pourrait avoir des millions de qubits et être essentiellement inutile si ces qubits sont sujets à des problèmes qui introduisent des erreurs dans les calculs.
Ce problème – ou bruit – peut être quantifié par des mesures telles que la « fidélité de porte », qui mesure la précision avec laquelle vous pouvez faire faire quelque chose à un qubit ou à une paire de qubits, et le « temps de cohérence », qui indique la durée pendant laquelle un qubit peut rester dans un état quantique qui vous est utile. Mais ces mesures nous ramènent directement aux moindres détails du matériel informatique quantique. Malheureusement, même si ces mesures sont excellentes, vous devez toujours vous soucier de la difficulté de saisir des données dans votre ordinateur quantique et de démarrer le calcul, ainsi que de savoir si vous rencontrerez des problèmes lorsque vous tenterez de lire le résultat final.
Une partie de la croissance remarquable de l'industrie de l'informatique quantique est due à la montée en puissance d'entreprises spécialisées dans le contrôle des qubits et dans d'autres parties des ordinateurs quantiques qui gèrent l'interface délicate entre les entrailles quantiques de ces appareils et leurs utilisateurs très non quantiques. Un véritable guide d'achat d'ordinateurs quantiques pour 2025 devrait inclure tous ces modules complémentaires. Vous devrez choisir vos qubits, mais aussi un système de contrôle des qubits et un mécanisme pour corriger les erreurs de ces qubits. J'ai eu la chance de parler avec des chercheurs qui développent même un système d'exploitation pour les ordinateurs quantiques, donc dans quelques années, cela pourrait également faire partie de votre liste de courses.
Si je devais dresser une liste de souhaits à court terme, je parierais sur une machine capable d’effectuer au moins un million d’opérations – en gros, un programme informatique quantique comportant un million d’étapes – avec des taux d’erreur très faibles et autant de correction d’erreur intégrée que possible. John Preskill du California Institute of Technology appelle cela la machine « mégaquop ». L'année dernière, il m'a dit qu'il pensait qu'une telle machine serait juste assez puissante pour être tolérante aux pannes, ou à l'épreuve des erreurs, et pour faire des découvertes scientifiquement significatives. Mais nous n’en sommes pas encore là. Les ordinateurs quantiques dont nous disposons aujourd’hui exécutent des dizaines de milliers d’opérations et n’ont démontré la correction d’erreurs que pour des tâches relativement petites.
Dans un certain sens, les ordinateurs quantiques d'aujourd'hui sont dans une ère d'adolescence, mûrissant vers l'utilité mais traversant encore des difficultés de croissance. Pour cette raison, la question que je pose le plus souvent dans ma boîte de réception aux marchands d’ordinateurs quantiques est la suivante : « Que peut réellement faire cette machine ?
C’est là que nous devons non seulement comparer différents types d’ordinateurs quantiques, mais également les comparer à leurs homologues conventionnels. Le matériel quantique est coûteux et difficile à construire, alors quand serait-il vraiment la seule option viable pour résoudre un problème ?
Une façon de répondre à cette question est d’essayer d’identifier les calculs que les ordinateurs conventionnels ne pourraient pas effectuer s’ils ne disposaient pas d’un temps illimité. Familièrement, cela porte le nom de « suprématie quantique », et cela empêche les mathématiciens et les théoriciens de la complexité de dormir la nuit autant qu'il vole le sommeil aux ingénieurs quantiques. Il existe des exemples de suprématie quantique, mais ils sont problématiques. Pour avoir un sens, ils doivent être pratiques – vous devez être capable de construire une machine capable de les exécuter – et ils doivent être prouvables de telle sorte que vous puissiez être sûr qu'un mathématicien intelligent ne pourrait pas obtenir un ordinateur conventionnel pour les exécuter après tout.
En 1994, le physicien Peter Shor a développé un algorithme d'informatique quantique permettant de factoriser de grands nombres, qui pourrait être utilisé pour briser facilement les méthodes de cryptage les plus courantes actuellement utilisées, par exemple, par les banques du monde entier. Un ordinateur quantique suffisamment puissant, capable de corriger ses propres erreurs, pourrait pratiquement exécuter cet algorithme, mais les mathématiciens n’ont jusqu’à présent pas été en mesure de prouver de manière rigoureuse que les ordinateurs classiques ne pourraient jamais prendre en compte de grands nombres aussi efficacement. Les affirmations les plus notables en matière de suprématie quantique entrent également dans cette catégorie – et certaines d’entre elles ont finalement été dépassées par les machines classiques. Les démonstrations de suprématie quantique qui existent encore ne semblent pas non plus encore utiles et sont principalement conçues pour mettre en valeur le caractère quantique de l’ordinateur qui les a réalisées.
De l’autre côté du spectre se trouvent les problèmes dans le domaine mathématique de la « complexité des requêtes », où la suprématie de l’approche quantique est rigoureusement prouvable, mais il n’existe aucun algorithme associé qui serait pratique à mettre en œuvre ou à faire quelque chose d’utile sans ambiguïté. Une expérience récente a également introduit l’idée de « suprématie de l’information quantique », dans laquelle un ordinateur quantique résout une tâche en utilisant moins de qubits que le nombre de bits requis pour résoudre le même problème sur un ordinateur classique. Ici, la ressource dont l’ordinateur quantique avait le moins besoin n’était pas le temps mais plutôt le nombre d’éléments de base physiques. Cela peut sembler prometteur car cela implique qu’un ordinateur quantique pourrait faire quelque chose sans avoir à être rendu énorme au préalable, mais je ne vous conseillerais pas de l’acheter pour une raison simple : la tâche en question n’avait encore une fois aucune utilité évidente dans le monde réel.
Certes, il existe des problèmes du monde réel qui semblent bien correspondre aux algorithmes informatiques quantiques, comme la détermination des propriétés de molécules importantes en agriculture et en médecine, ou la résolution de problèmes logistiques comme la planification des vols. Mais je dois dire « semble-t-il », car la vérité est que les chercheurs ne disposent pas encore de tous les détails.
Par exemple, dans une étude récente sur les utilisations possibles de l’informatique quantique pour la génomique, Aurora Maurizio de l’Institut scientifique San Raffaele en Italie et Guglielmo Mazzola de l’Université de Zurich en Suisse ont écrit que les méthodes informatiques conventionnelles sont si efficaces que « l’informatique quantique pourrait offrir une accélération dans un avenir proche uniquement pour un sous-ensemble spécifique de tâches assez difficiles ». Le message de leur étude est que même si, à première vue, les problèmes combinatoires en génomique semblent être un domaine dans lequel un ordinateur quantique pourrait accélérer le travail, un examen plus approfondi révèle que leur utilisation devra être très ciblée et prudente.
La vérité est que pour de nombreux problèmes qui ne sont pas spécifiquement construits pour prouver la suprématie quantique, même lorsque les ordinateurs quantiques peuvent surmonter le bruit et tous les autres problèmes techniques et exécuter des algorithmes plus rapidement que les ordinateurs classiques, il existe un spectre de ce que signifie « plus rapide ». Parce que cela ne signifie pas toujours exponentiellement plus rapide, les gains de temps qu'un ordinateur quantique pourrait apporter ne contrebalancent pas toujours complètement les coûts matériels. Par exemple, l'algorithme de recherche de l'informaticien Lov Grover, qui est le deuxième algorithme d'informatique quantique le plus célèbre après celui de Shor, n'offre qu'une accélération quadratique : il réduit le temps d'exécution du calcul d'une racine carrée au lieu de exponentielle. En fin de compte, la mesure dans laquelle la vitesse est suffisamment rapide pour justifier le passage au quantique peut dépendre de chaque acheteur d’ordinateur quantique.
Et je sais, je sais, c'est une ligne frustrante à inclure dans un soi-disant guide de l'acheteur, mais si j'ai appris quelque chose sur les ordinateurs quantiques en discutant avec des experts, c'est qu'il y a beaucoup plus de choses que nous ignorons sur ce que les ordinateurs quantiques pourraient faire que ce que nous savons avec certitude. Les ordinateurs quantiques sont une technologie d’avenir coûteuse et complexe, et nous avons à peine une idée de la manière dont ils pourraient ajouter de la valeur à nos vies au lieu de simplement ajouter de la valeur aux actionnaires de certaines entreprises. Aussi insatisfaisant que cela puisse paraître, je pense que cela montre à quel point les ordinateurs quantiques sont différents et nouveaux ; à quel point ils sont vraiment à la frontière de l'informatique.
Mais si vous lisez ceci parce que vous avez une bonne somme d’argent de poche à dépenser pour un ordinateur quantique aussi grand et aussi fiable que possible, procurez-vous-le et laissez vos nerds locaux en matière d’algorithmes quantiques s’en occuper. Dans quelques années, ils pourront probablement vous donner de bien meilleurs conseils.
