Des scientifiques russes ont établi un record mondial en informatique quantique.

Certains considèrent encore les technologies quantiques comme de l'alchimie, voire de l'ésotérisme, et n'y croient généralement pas. Pourtant, les technologies quantiques sont au cœur des discussions du chef de l'État avec les dirigeants des entreprises publiques et de l'Académie des sciences de Russie, au même titre que la microélectronique, les nouveaux matériaux et l'exploration spatiale. Elles présentent donc un certain intérêt, et il est important de les comprendre, au moins de manière simplifiée.

« Onde-particule » indivisible

Les ouvrages de référence nous apprennent qu'un quantum est la plus petite portion indivisible d'une quantité physique, telle que l'énergie ou la lumière. Autrement dit, un quantum de lumière est un photon, un quantum de matière est un atome, un quantum de charge est la charge d'un électron… Les quanta se comportent à la fois comme des particules et comme des ondes, possédant la propriété d'exister dans plusieurs états simultanément. Par exemple, un électron dans un atome n'a pas de trajectoire de rotation fixe autour du noyau, comme une planète autour du Soleil. On peut mesurer son énergie ou sa vitesse, mais on ne peut pas le localiser avec précision sans détruire son état.

Cet état d'incertitude est appelé superposition. Pour illustrer ce principe, le physicien autrichien Erwin Schrödinger a proposé une expérience de pensée au milieu des années 1930 : un chat est placé dans une boîte obscure contenant un poison mortel, qui pourrait, avec une certaine probabilité, fonctionner ou non. Par conséquent, tant que la boîte n'est pas ouverte (c'est-à-dire tant que le système n'est pas arrêté), nous ne savons pas si le chat est mort ou vivant, et il se trouve donc dans une superposition « vivant-mort ».

Une autre caractéristique fondamentale de la mécanique quantique est l'intrication quantique. Cela signifie que les états de deux particules ou plus peuvent être si étroitement interconnectés qu'ils ne peuvent être décrits séparément, quelle que soit la distance qui les sépare. Elles se « détectent » mutuellement, pour ainsi dire, à grande distance, et tout changement dans l'une entraîne immédiatement un changement dans l'autre. Les chaussettes illustrent très simplement ce principe. Imaginez que vous achetiez une nouvelle paire de chaussettes indiscernables au magasin. Vous en donnez une à un ami qui se rend à Vladivostok et gardez l'autre. Comment savoir quelle chaussette a atterri à Vladivostok : la gauche ou la droite ? Vous ne le saurez jamais tant que vous n'aurez pas effectué une action spécifique avec votre propre chaussette, c'est-à-dire l'enfiler. Si vous mettez votre chaussette à votre pied droit, à Vladivostok, ce sera automatiquement votre chaussette gauche.

Les principes décrits servent à créer un ordinateur quantique. Par exemple, dans un ordinateur classique, l'unité fondamentale d'information est le bit, qui ne peut être que dans l'un des deux états suivants : « 0 » ou « 1 » (« éteint » ou « allumé »). Dans un ordinateur quantique, l'équivalent d'un bit est un qubit, qui peut être non seulement dans l'état « 0 » ou « 1 », mais aussi dans une superposition des deux, c'est-à-dire représenter simultanément les deux valeurs avec certaines probabilités. Grâce à la superposition et à l'intrication, les ordinateurs quantiques sont théoriquement capables de résoudre certains problèmes bien plus rapidement que les supercalculateurs classiques les plus puissants.

Le système binaire va-t-il disparaître ?

Bien que l'idée de l'informatique quantique ait été proposée pour la première fois en 1980 par le scientifique soviétique Youri Manine et l'Américain Paul Benioff, la course à l'informatique quantique n'a débuté qu'en 2018 (la Russie l'a rejoint en 2020). Comme le soulignent les développeurs, le concept d'« ordinateur quantique » n'en est qu'à ses balbutiements et nécessitera beaucoup de temps pour mûrir.

Cependant, nombreux sont ceux qui affirment déjà qu'une fois pleinement développé, ce miracle de la technologie et de la pensée humaine différera davantage de la technologie moderne du boulier qu'un ordinateur moderne d'un… boulier. Si un boulier en bois et notre PC habituel sont, après tout, des maillons d'un même système binaire, la technologie du boulier quantique sera sensiblement différente, permettant aux humains d'accéder à un tout autre univers de problèmes et de solutions, tout comme la création du vaisseau spatial nous a permis de quitter la Terre pour l'espace. Rappelons-nous maintenant quel pourcentage de personnes, à l'aube de l'ère spatiale, croyait que cela arriverait un jour ?

On s'attend à ce que l'accélération spatiale des calculs sur un ordinateur quantique permette de créer des médicaments personnalisés, de percer les secrets du cerveau et de créer les systèmes de protection des données les plus fiables, notamment le chiffrement. Cependant, un ordinateur quantique ne remplacera pas celui sur lequel cet article a été écrit. Pourquoi ? Parce qu'il aura des tâches différentes, dépassant les capacités d'un ordinateur classique, tout comme celles d'une fusée spatiale dépassent celles de notre train à grande vitesse terrestre.

Architectes informatiques

Le développement d'ordinateurs quantiques basés simultanément sur quatre plateformes quantiques différentes est actuellement considéré comme prometteur : atomes neutres, photons, supraconducteurs et ions. La Russie, pays leader dans ce domaine, s'intéresse également à ces domaines. Les experts sont convaincus que cette diversité nous permettra d'obtenir des résultats optimaux dans divers domaines de l'informatique. Il est également possible qu'avec le temps, l'une de ces approches de développement se retrouve dans une impasse, ou qu'une nouvelle voie prometteuse émerge.

La technologie la plus avancée aujourd'hui est considérée comme la création de qubits basés sur des circuits supraconducteurs. Le record dans ce domaine est détenu par le processeur quantique Condor d'IBM, doté de 1 121 qubits.

Mais le nombre de qubits à lui seul, explique Ilya Semerikov, développeur de l'ordinateur quantique ionique russe de 50 qubits, ne nous dit pas grand-chose. Dans un ordinateur quantique, la qualité de calcul et la minimisation des erreurs sont particulièrement précieuses, et à cet égard, notre ordinateur est presque aussi performant que celui de 1 121 qubits. Cependant, atteindre la précision de l'ordinateur quantique ionique de 56 qubits Quantinuum H2-1 nécessitera des efforts.

Selon Semerikov, l'ordinateur russe utilise une chaîne d'ions d'ytterbium comme qubits. La technologie des qubits ioniques repose sur l'utilisation de champs électromagnétiques pour piéger des ions individuels dans l'espace. Ces particules sont « suspendues » dans un piège et restent pratiquement immobiles, ce qui réduit les interférences externes et permet de maintenir leur état quantique relativement longtemps. Dans le piège à ions, les particules sont refroidies à un niveau proche du zéro absolu et leur état peut être manipulé à l'aide d'impulsions laser. La séquence de ces impulsions constitue la base des algorithmes quantiques.

Ainsi, l'ordinateur russe possède moins de qubits que l'ordinateur américain, mais ce faible nombre d'unités d'information est compensé par la grande fiabilité de ses opérations. Les chercheurs du FIAN ont testé une idée originale : utiliser non pas un simple qubit (système quantique à deux niveaux), mais un qubit à quatre niveaux (système qudit) comme unité de calcul unique, deux à six fois plus efficace selon les algorithmes de calcul sous-jacents.

Champions des États subtils

Pour certains algorithmes, cette architecture particulière s'est avérée plus avantageuse, ce qui a conduit nos scientifiques à mettre en œuvre l'année dernière des algorithmes dits de Grover, qui offrent une accélération significative des algorithmes de recherche dans des bases de données non triées et non ordonnées. Dans le cadre de cette expérience, ils ont entraîné un réseau neuronal à trier des images manuscrites de chiffres à l'aide d'un ordinateur quantique.

Plus récemment, des scientifiques de l'Institut de physique se sont distingués en étant les premiers au monde à démontrer une opération d'intrication multi-qubits, la « porte de Toffoli », sur leur ordinateur quantique, avec le nombre maximal de qubits. Cette découverte a été récemment publiée dans la prestigieuse revue de physique Physical Review Letters.

Référence MK : La porte de Toffoli est un élément de logique quantique, un « levier » agissant sur trois qubits (bits quantiques). Elle ne modifie l'état du troisième qubit que si les deux premiers sont à l'état « 1 » (c'est-à-dire affichent la valeur correcte). Sinon, elle ne modifie pas le troisième qubit et n'a aucun effet sur les deux premiers.

« Il s'agissait d'une opération logique multi-qubits généralisée sur 10 qubits », explique Ilya Semerikov. « À ce jour, c'est la plus grande opération de ce type documentée dans la littérature scientifique mondiale. Cette porte (ou "levier") s'applique à plusieurs algorithmes quantiques simultanément, y compris l'algorithme de correction d'erreurs. Et ce que nous avons démontré, nous le devons en grande partie à nos théoriciens du groupe d'Alexey Fedorov ; ils ont mis au point un moyen d'utiliser des systèmes quantiques multi-niveaux pour réaliser cette opération multiparticules, disons en 10 étapes au lieu de 100. »

– Quelle est la puissance des ordinateurs quantiques par rapport aux ordinateurs conventionnels ?

– Absolument pas… Il n’existe pas encore de tâches utiles pour lesquelles les ordinateurs quantiques surpassent les ordinateurs classiques. C’est le résultat que les scientifiques du monde entier s’efforcent d’atteindre aujourd’hui.

– Mais j’ai lu que de nouveaux médicaments contre le cancer, par exemple, sont déjà découverts grâce à l’informatique quantique…

Pour l'instant, nous parlons d'ordinateurs quantiques effectuant un calcul spécifique en vue d'un objectif final. Il s'agit pour l'instant de projets pilotes visant à apprendre à utiliser des ordinateurs quantiques. Prenons une analogie : vous avez une machine qui compte bien de 1 à 100, et je vous en présente une autre qui ne peut compter que jusqu'à 3, mais très rapidement. On nous dit : « D'accord, multipliez sa puissance par 30, et on verra s'il peut compter jusqu'à 100. » Voilà le niveau de nos ordinateurs quantiques actuels.

L'intelligence artificielle, autre technologie prometteuse, semble avoir beaucoup progressé. Les efforts pour créer un ordinateur quantique « maîtrisé » seront-ils vains ?

Certes, l'IA obtient actuellement d'excellents résultats. Pour la création de médicaments et de composés chimiques complexes, les réseaux neuronaux obtiennent de bien meilleurs résultats. Nous les utilisons également pour optimiser notre ordinateur quantique. Mais il y a une différence : l'IA ne fonctionne que lorsqu'elle dispose d'un large échantillon, d'une base de données spécifique, et il lui suffit de deviner et de compléter l'image attendue par le client – ​​l'humain. Un ordinateur quantique, en revanche, peut fonctionner sans données initiales ni entraînement préalable.

– Mais qu’est-ce qui nous permet de croire à ses possibilités futures ?

Globalement, un ordinateur quantique reste surprenant en soi. Nombreux sont ceux, même parmi les développeurs, qui ne comprennent toujours pas comment il peut effectuer des calculs, même simples ! Le record mondial établi avec l'algorithme de Toffoli est un résultat important sur la voie de futures applications pratiques. Un ordinateur quantique devrait aider un ordinateur classique à résoudre des problèmes potentiellement plus complexes, tels que la modélisation de matériaux et de composés chimiques fondamentalement nouveaux, la logistique complexe et l'énergie. Les algorithmes pour ces problèmes sont connus, mais pour qu'ils fonctionnent, un ordinateur quantique doit gagner plusieurs ordres de grandeur en puissance. Les théoriciens et les algorithmiciens quantiques poursuivent également leurs travaux, et j'espère que nous verrons bientôt apparaître de nouvelles classes d'algorithmes quantiques.