Informatique quantique : le pari fou de Microsoft

En matière d'informatique quantique, Microsoft a fait un pari fou. Mais un pari qui lui permet de lancer la démocratisation de l'informatique quantique.

Un pari fou. C’est avec ces mots que Bernard Ourghanlian, directeur technique et sécurité de Microsoft France a retracé à l’occasion de Microsoft experiences’17 l’histoire de Microsoft sur le front de l’informatique quantique. Et pour cause : il y a 20 ans, Microsoft opte pour une approche fondée sur l’hypothèse de l’existence d’une particule qui ne sera vérifiée que… 12 ans plus tard. Un choix qui se concré­tise aujourd’hui par plusieurs avancées bien concrètes. Explications.

 

Pour com­prendre les enjeux – et le choix effectué – il faut rappeler que l’informatique quantique c’est d’abord de la physique quantique. Un monde dans lequel une particule peut être aussi une onde (c’est la fameuse dualité onde-particule), être dans deux endroits dif­fé­rents à la fois, ou bien encore prendre plusieurs chemins simul­ta­né­ment entre deux points dans l’espace.

En infor­ma­tique quantique, deux com­por­te­ments quan­tiques sont mis à contri­bu­tion : la super­po­si­tion et l’intrication.

> La super­po­si­tion : avec elle, les atomes et les par­ti­cules sub­ato­miques peuvent exister simul­ta­né­ment dans plusieurs états et même plusieurs positions : c’est ce que l’on appelle la super­po­si­tion d’états. Un objet classique comme une bille ne peut tourner que dans un sens à la fois, un électron peut en revanche tourner autour du noyau dans les deux sens à la fois.

> L’intrication : cette action unit deux par­ti­cules par un lien ins­tan­ta­né. Une action effectuée sur l’une affecte la seconde, même si elles sont très éloignées, y compris dans une autre galaxie.

 

 

Ce sont ces com­por­te­ments qui vont donner à l’informatique quantique toute sa puissance. Les ordi­na­teurs tra­di­tion­nels repré­sentent l’information sous forme de « bits » contenant uni­que­ment des 1 et des 0. Les ordi­na­teurs quan­tiques stockent, quant à eux, l’information de façon dif­fé­rente : ils utilisent des « quantum bits » ou « qubits ». La mécanique quantique permet de stocker dans des qubits des infor­ma­tions bien plus complexes que dans des bits clas­siques.

En effet, un bit classique se trouve toujours soit dans l’état 0, soit dans l’état 1. Mais un qubit peut, grâce à la super­po­si­tion quantique, être soit dans l’état 0, soit dans l’état 1, mais aussi dans une super­po­si­tion de 0 et de 1. Et cela ne constitue pas un troisième état, mais bien une infinité d’autres états…

Du déchainement quantique à la puissance quantique

Si un qubit est dans une quel­conque super­po­si­tion d’états, 2 qubits per­mettent de super­po­ser 4 états pour le calcul (2 puissance 2), 10 qubits per­met­tant de super­po­ser 1024 états (2 puissance 10). Résultat, l’ordinateur quantique peut doubler sa puissance de calcul à chaque qubit ajouté, d’où un gain expo­nen­tiel de sa puissance, impos­sible à réaliser en infor­ma­tique tra­di­tion­nelle. Pour 250 qubits en inter­ac­tion, il faudrait environ 10*80 bits clas­siques pour stocker l’équivalent d’informations ! C’est plus d’atomes qu’il n’y en a dans l’univers visible… C’est cela le déchai­ne­ment quantique. Et ce déchai­ne­ment permet de résoudre des problèmes vraiment dif­fi­ciles. Encore faut-il relever plusieurs défis…

Le premier de ces défis tient à l’impossibilité du clonage quantique. En clair, on ne peut pas copier l’information au sein d’un ordi­na­teur quantique sans l’altérer. Un sacrée contrainte… En effet, une par­ti­cu­la­ri­té du qubit par rapport à un bit classique est qu’il ne peut être dupliqué. Pour le dupliquer, il faudrait pouvoir le lire, de sorte à préparer un autre qubit dans le même état ; or, il impos­sible de lire un qubit sans détruire défi­ni­ti­ve­ment son état. D’où cette impos­si­bi­li­té de le copier.

Comment pro­gram­mer un tel ordi­na­teur alors que l’on détruit l’état d’un qubit quand on le lit et que (2) l’on ne peut pas copier un qubit ? C’est l’enjeu de l’informatique quantique : concevoir des algo­rithmes, tels que toutes les pro­prié­tés de la super­po­si­tion soient utilisées pour le calcul parallèle. Tout en s’assurant que le résultat ne soit pas aléatoire…

Autre défi : pour sta­bi­li­ser l’environnement d’un ordi­na­teur quantique, il faut opérer à la plus basse tem­pé­ra­ture possible sur terre : soit -273,13 C°. C’est tout de même 100 fois plus froid que le froid de l’univers profond…

À la recherche de l’insaisissable fermion de Majorana

Dans la pratique, l’ordinateur quantique est contrôlé par un ordi­na­teur cryo­gé­nique qui opère dans un contexte de supra­con­duc­ti­vi­té aux alentours de moins 269°C. L’ensemble est piloté par un ordi­na­teur classique exécutant des algo­rithmes spé­ci­fiques. Une fusée en 3 étages en somme. Autant dire qu’un tel ordi­na­teur quantique ne sera pas sur votre bureau demain matin.

Cet ordi­na­teur abrite des puces quan­tiques. Elles res­semblent à des puces en silicium mais leur simi­li­tude s’arrête là. C’est dans ces puces que se trouvent les fermions.

ordinateur quantique
L’ordinateur quantique doit être contrôlé par un ordi­na­teur cryo­gé­nique

Flashback : à la fin des années 2000, Michael Freedman (qui a été lauréat de la Médaille Fields 1986, l’équivalent du prix Nobel de mathé­ma­tiques) et ses collègues de Microsoft Research démontrent que faire de l’informatique quantique au moyen d’une quasi-particule (pas mise au jour à l’époque) peut conduire à un chan­ge­ment de paradigme en matière de calcul. Ils appellent cette approche « infor­ma­tique quantique topo­lo­gique ». En 2004, après une meilleure com­pré­hen­sion du potentiel de l’informatique quantique topo­lo­gique, Michael Freedman approche le patron de la R&D de Microsoft pour discuter infor­ma­tique quantique. Et c’est ainsi que tout a commencé : par un pari fou reposant sur l’hypothèse de l’existence d’une particule que personne n’avait encore jamais vu.

En 2010, les cher­cheurs Microsoft montrent en théorie comment cette quasi-particule insai­sis­sable que l’on nomme le « fermion de Majorana » peut être aperçue dans un labo­ra­toire. C’est en 2012 qu’une étape expé­ri­men­tale très impor­tante est franchie : un des par­te­naires de recherche de Microsoft, Leo Kouwenhoven, construit cette expé­rience dans son labo­ra­toire de Delft et devient le premier à détecter la preuve de l’existence de la quasi-particule Majorana. Depuis, de nom­breuses autres preuves de l’existence de cette quasi-particule ont été données…

Mais pourquoi cette quasi-particule est-elle si précieuse ? Comme vu pré­cé­dem­ment, un ordi­na­teur quantique double sa puissance de calcul à chaque qubit ajouté, d’où un gain expo­nen­tiel de sa puissance. Mais avec deux fortes contraintes :
1) il est très difficile d’augmenter le nombre de qubits
2) de petites per­tur­ba­tions peuvent détruire tout l’ensemble : c’est le problème que l’on nomme « la déco­hé­rence quantique ».

Aujourd’hui, construire un ordi­na­teur quantique revient à tenter d’empiler des petites pierres sur la plage : plus vous en empilez, plus l’ensemble devient instable…

L’approche topologique : prometteuse pour passer à l’échelle

Au vu de ces limi­ta­tions, Microsoft a estimé que la voie la plus pro­met­teuse pour passer à l’échelle consiste à déve­lop­per un qubit plus stable, nommé « qubit topo­lo­gique ». Et, de fait, un ordi­na­teur quantique topo­lo­gique permet à la fois de béné­fi­cier d’une durée de vie 10 milliards de fois plus longue que les autres tech­no­lo­gies mais aussi de néces­si­ter entre 1 000 et 10 000 fois moins de qubits physiques pour mettre en œuvre chaque qubit logique.

Mais une fois un tel ordi­na­teur construit, encore faut-il le pro­gram­mer… Microsoft, lors de la confé­rence Ignite qui se tenait fin septembre à Orlando a annoncé la mise à dis­po­si­tion prochaine d’un nouveau langage de pro­gram­ma­tion pour l’informatique quantique. Ce langage est intégré dans Visual Studio et comprend un simu­la­teur d’ordinateur quantique qui fonc­tionne sur un poste de travail mais aussi sur le Cloud Azure en sup­por­tant jusqu’à 40 qubits, ce qui est unique au monde

Ce nouveau langage de pro­gram­ma­tion contient toutes les fonc­tion­na­li­tés néces­saires pour un déve­lop­peur dans un envi­ron­ne­ment quantique et notamment, le trai­te­ment du cas de l’utilisation de qubits, de bits, la notion de « mesure » et les condi­tions de la mesure ainsi qu’un langage entiè­re­ment nouveau qui génère du code C#.

En résumé, Microsoft a présenté à Ignite le moyen de démo­cra­ti­ser l’informatique quantique comme il le fait avec l’IA. Les résultats d’un pari fou fait il y a 20 ans…