Ordinateur quantique : où en est-on en 2020 ?

Saviez-vous qu’il était déjà possible de programmer des algorithmes quantiques ? La recherche avance à toute vitesse ! Nous faisons le point.

Objet de suppositions, parfois farfelues, reine de la science-fiction, la mécanique quantique a donné naissance à l’ordinateur quantique, une machine capable de traiter les données des dizaines de millions de fois plus vite qu’un ordinateur classique.

Fantasme ou réalité ? Vivien Londe, ingénieur spécialisé dans le quantique chez Microsoft, nous explique où est la recherche, et nous parle des différentes applications de l’ordinateur quantique.

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Un ordinateur quantique, c’est quoi exactement ?

Nous vous proposons une définition complète dans cet article.

Pour résumer, un ordinateur quantique n’utilise pas la même mémoire qu’un ordinateur classique. Plutôt qu’avec une suite de 0 et de 1, il fonctionne avec des qubits ou quantum bits.

La différence, et elle est de taille, c’est que les particules quantiques qui constituent les qbits peuvent se trouver dans un état de superposition. Un concept difficile à expliquer : « on sait l’écrire mathématiquement, indique Vivien Londe. Mais avec le langage, c’est toujours un peu faux. Ce n’est pas deux états en même temps, ce n’est pas non plus un peu des deux états. En fait, pour dire quelque-chose d’exact, nous sommes obligés de l’écrire mathématiquement. »

Retenons donc simplement que c’est cet état de superposition, spécifique aux qbits, qui donne à un ordinateur quantique une capacité de calcul qu’il est impossible d’atteindre autrement.

Est-ce qu’il existe déjà des ordinateurs quantiques ?

Oui ! On voit d’ores et déjà apparaître des prototypes. Mais ceux-ci sont très bruités, c’est-à-dire que les résultats qu’ils donnent sont encore trop souvent erronés. Et puis, ce sont de « petits » ordinateurs quantiques, qui disposent tout au plus d’une cinquantaine de qbits.

« Aujourd’hui, sont de plus en plus nombreuses à s’intéresser au sujet, à faire des essais et à imaginer ce qu’elles pourront faire avec cette technologie, constate Vivien Londe. Mais nous sommes encore au stade de l’estimation des ressources : savoir, pour une application donnée, quelle sera la quantité de qbits et le taux de fiabilité nécessaires. »

A l’heure actuelle, les ordinateurs classiques restent encore les plus efficaces. Une tendance qui s’inversera dès que nous aurons accès à des ordinateurs avec une mémoire quantique plus importante, et moins bruités.

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Mais alors le « vrai » ordinateur quantique, c’est pour quand ?

C’est très difficile à dire ! « C’est une nouvelle physique, assez exotique, qui demande de contrôler la matière à l’échelle quantique, explique Vivien Londe. Tout ça est extrêmement compliqué à réaliser et demande des compétences pluridisciplinaires : physique, mathématiques, informatique… »

Ce que l’on sait déjà, c’est que nous travaillerons sans doute avec des programmes hybrides, qui font appel à des ordinateurs classiques et à des ordinateurs quantiques, quand il est nécessaire d’accélérer certains calculs.

L’approche de Microsoft consiste à chercher à construire des qbits topologiques, plus fiables, mais aussi plus compliqués à concevoir. Le sujet est assez complexe, mais, si vous voulez vous y frotter, vous pouvez consulter cet article du directeur technique de Microsoft France, Bernard Ourghanlian. Il y explique qu’en topologie, la branche des mathématiques qui étudie les objets et leurs propriétés, « une boucle fermée et nouée est différente d’une boucle fermée et non-nouée car la seule façon de passer de l’une à l’autre nécessite de couper le brin et de recoller ses bouts après avoir défait le nœud. Dans le calcul quantique topologique, des structures topologiques distinctes correspondent à des états quantiques distincts et l’on cherche – comme avec notre boucle – à tresser des « brins » afin de réaliser le calcul quantique. En fait, ces brins ne sont pas matériels, puisqu’il s’agit des lignes d’univers de certaines particules, c’est‑à-dire de leurs « trajectoires » dans l’espace-temps. »

Toujours est-il que, pour Vivien Londe, cette approche topologique est la plus intéressante pour un passage à l’échelle industrielle : « à long terme, du fait du faible taux d’erreur, cette approche nous permettra de mettre en place des solutions qui aideront les entreprises à créer de la valeur. »

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Finalement, un ordinateur quantique, à quoi ça sert ?

Vivien Londe évoque deux grandes familles de cas d’usage.

La première, c’est la simulation moléculaire, c’est-à-dire la capacité de décrire la matière à une toute petite échelle, l’échelle atomique. Cette simulation moléculaire à de nombreuses applications : trouver de nouveaux médicaments ou des matériaux plus résistants par exemple. On parle ainsi souvent de matériaux supraconducteurs à température ambiante, capables de transférer l’énergie sans aucune perte. La simulation moléculaire s’intéresse aussi aux réactions chimiques, ce qui pourrait permettre, par exemple, de concevoir de nouveaux engrais.

L’autre famille, ce sont les problèmes d’optimisation, qui relèvent de la recherche opérationnelle. Cela consiste à trouver des solutions optimales à des problèmes qui disposent d’un très grand nombre de possibilités. Par exemple, optimiser le trafic routier ou trouver quel est le chargement optimal pour un bateau.

Pour Vivien Londe, la simulation moléculaire et la recherche opérationnelle seront les deux premières branches qui émergeront. A plus long terme, nous pourrons aussi parler de machine learning quantique, permettant d’aboutir à de nouveaux algorithmes d’apprentissage. Difficile d’en dire plus, car le sujet est très technique !

De grandes entreprises utilise régulièrement l’ordinateur quantique

• Ford optimise le trafic routier et lutte contre les congestions. Grâce à un algorithme d’inspiration quantique, le constructeur est capable d’assigner un trajet donné à chaque véhicule, pour un gain de trajet moyen de 8%. La vidéo est ici.
• OTI Lumionics booste ses recherches de nouveaux matériaux. Le développeur de matériaux pour les écrans OLED (organic LED) s’appuie sur la technologie d’inspiration quantique pour simuler une molécule constitutive des matériaux OLED. Pour en savoir plus, c’est par là (attention, c’est très technique !).
• Willis Towers Watson travaille sur la gestion du risque financier. Le cabinet de courtage travaille avec les outils quantiques de Microsoft pour résoudre des problèmes complexes de gestion des risques. Récit dans cet article.
• Case Western Reserve University (CWRU) perfectionne la technique d’imagerie par résonance magnétique (IRM). Grâce à l’approche quantique, l’université est parvenue à améliorer la qualité de l’image de 30% et à réduire par trois le temps d’acquisition de l’image. Tout est expliqué ici.

Programmer sur du quantique, c’est déjà possible !

Et si l’on vous disait qu’il est déjà possible de s’essayer à la programmation quantique ?

Microsoft a développé son propre langage, le Q# (à prononcer Q Sharp). Il s’agit d’un langage de haut niveau. Ainsi, pas besoin de décrire qbit par qbit la transformation à appliquer pour obtenir le résultat souhaité, Microsoft propose des librairies de « blocs » à destination des développeurs. Ces blocs permettent d’abstraire certaines fonctions pour, une fois assemblés, construire un langage complexe.

Le Q# est déjà disponible, et fait l’objet de mises à jour régulières. Notez cependant qu’il n’exige pas tout à fait les mêmes compétences que le développement quantique. « Il faut comprendre comment fonctionne la mémoire quantique et donc avoir des connaissances en algèbre linéaire, note Vivien Londe. Mais ce ne sont pas non plus des mathématiques très poussées. » Pour aider les développeurs, Microsoft a mis à leur disposition une série de katas quantiques, des tutoriels d’auto-formation et d’exercices de programmation.

Installer un simulateur sur son ordinateur personnel

Vous vous demandez sans doute comment il est possible de programmer sur un hardware qui n’est pas encore abouti ? En fait, nous disposons déjà de simulateurs quantiques : des programmes classiques, qui tournent sur des ordinateurs classiques, mais qui parviennent à simuler le fonctionnement d’un qbit. « Aujourd’hui, on peut faire tourner un programme Q# qui n’utilise pas plus de 40 qbits dans un simulateur hébergé dans », précise ainsi Vivien Londe.

A l’aide du Quantum development kit, il est aussi possible d’installer gratuitement un simulateur en local sur son ordinateur personnel. Dans ce cas, les tests seront limités à une trentaine de qbits.

Mais pourquoi programmer sur ce type de langage dès maintenant ? Tout simplement parce que ces outils permettent aux entreprises de s’approprier la technologie quantique. « Aujourd’hui, avec les simulateurs, les entreprises n’obtiendront pas davantage de résultats qu’avec les ordinateurs classiques, poursuit Vivien Londe. Mais cela leur permet d’écrire dès maintenant des programmes, qu’elles pourront directement faire tourner sur du hardware quantique moins bruité quand il sera disponible. »

Le message est donc clair : si, actuellement, la technologie n’est pas encore tout à fait au point, nous avons à disposition les solutions qui nous permettent de nous préparer à son déploiement ! 

Questions Fréquentes

Vous vous demandez qui est ce savant en photo d’illustration ? Il s’agit de Max Planck, considéré comme le père de la physique quantique. Photo de nik gaffney(CC BY-SA 2.0).