Ces dernières années, le domaine de l’informatique quantique a connu une croissance rapide, avec des avancées technologiques et des investissements à grande échelle qui font régulièrement la une de l’actualité.
Les Nations unies ont désigné l’année 2025 comme l’Année internationale des sciences et technologies quantiques.
L’enjeu est de taille : disposer d’ordinateurs quantiques signifierait avoir accès à une puissance de traitement des données considérable par rapport à celle dont nous disposons aujourd’hui. Ils ne remplaceront pas votre ordinateur normal, mais une telle puissance de calcul permettra des avancées en médecine, en chimie, en science des matériaux et dans d’autres domaines.
Il n’est donc pas surprenant que l’informatique quantique devienne rapidement une course mondiale, et que l’industrie privée et les gouvernements du monde entier se précipitent pour construire le premier ordinateur quantique à grande échelle. Pour y parvenir, nous devons d’abord disposer de processeurs ou de puces quantiques stables et évolutifs.
Qu’est-ce qu’une puce quantique ?
Les ordinateurs courants – comme votre ordinateur portable – sont des ordinateurs classiques. Ils stockent et traitent les informations sous forme de nombres binaires ou bits. Un seul bit peut représenter 0 ou 1.
En revanche, l’unité de base d’une puce quantique est un qubit. Une puce quantique est composée de plusieurs qubits. Il s’agit généralement de particules subatomiques telles que des électrons ou des photons, contrôlées et manipulées par des champs électriques et magnétiques spécialement conçus (appelés signaux de contrôle).
Contrairement à un bit, un qubit peut être placé dans un état de 0, de 1 ou dans une combinaison des deux, également connu sous le nom d' »état de superposition ». Cette propriété distincte permet aux processeurs quantiques de stocker et de traiter des ensembles de données extrêmement volumineux à une vitesse exponentielle, même par rapport à l’ordinateur classique le plus puissant.
Il existe différentes façons de fabriquer des qubits : on peut utiliser des dispositifs supraconducteurs, des semi-conducteurs, la photonique (lumière) ou d’autres approches. Chaque méthode a ses avantages et ses inconvénients.
Des entreprises comme IBM, Google et QueRa ont toutes des feuilles de route visant à augmenter considérablement la capacité des processeurs quantiques d’ici 2030.
Les acteurs de l’industrie qui utilisent des semi-conducteurs sont Intel et des entreprises australiennes comme Diraq et SQC. Les principaux développeurs d’ordinateurs quantiques photoniques sont PsiQuantum et Xanadu.
Qubits : qualité contre quantité
Le nombre de qubits d’une puce quantique est en fait moins important que la qualité des qubits.
Une puce quantique composée de milliers de qubits de mauvaise qualité sera incapable d’effectuer une tâche informatique utile.
Qu’est-ce qui fait la qualité d’un qubit ?
Les Qubits sont très sensibles aux perturbations indésirables, également connues sous le nom d’erreurs ou de bruit. Ce bruit peut provenir de nombreuses sources, notamment d’imperfections dans le processus de fabrication, de problèmes liés aux signaux de contrôle, de changements de température ou même simplement d’une interaction avec l’environnement du qubit.
Le fait d’être sujet à des erreurs réduit la fiabilité d’un qubit, appelée fidélité. Pour qu’une puce quantique reste stable suffisamment longtemps pour effectuer des tâches de calcul complexes, elle a besoin de qubits à haute fidélité.
Lorsque les chercheurs comparent les performances de différentes puces quantiques, la fidélité des qubits est l’un des paramètres cruciaux qu’ils utilisent.
Comment corriger les erreurs ?
Heureusement, nous n’avons pas besoin de construire des qubits parfaits.
Au cours des 30 dernières années, les chercheurs ont conçu des techniques théoriques qui utilisent de nombreux qubits imparfaits ou de faible fidélité pour coder un « qubit logique » abstrait. Un qubit logique est protégé contre les erreurs et présente donc une très grande fidélité. Un processeur quantique utile sera basé sur de nombreux qubits logiques.
Presque tous les grands développeurs de puces quantiques mettent aujourd’hui ces théories en pratique, en passant des qubits aux qubits logiques.
En 2024, de nombreux chercheurs et entreprises spécialisés dans l’informatique quantique ont réalisé de grands progrès dans le domaine des corrections d’erreurs quantiques, notamment Google, QueRa, IBM et CSIRO.
Des puces quantiques composées de plus de 100 qubits sont déjà disponibles. Elles sont utilisées par de nombreux chercheurs dans le monde entier pour évaluer la qualité de la génération actuelle d’ordinateurs quantiques et pour déterminer comment les améliorer dans les générations futures.
Pour l’instant, les développeurs n’ont fabriqué que des qubits logiques simples. Il faudra probablement quelques années pour trouver comment assembler plusieurs qubits logiques dans une puce quantique capable de fonctionner de manière cohérente et de résoudre des problèmes complexes dans le monde réel.
À quoi serviront les ordinateurs quantiques ?
Un processeur quantique pleinement fonctionnel serait capable de résoudre des problèmes extrêmement complexes. Cela pourrait avoir un impact révolutionnaire dans de nombreux domaines de la recherche, de la technologie et de l’économie.
Les ordinateurs quantiques pourraient nous aider à découvrir de nouveaux médicaments et à faire progresser la recherche médicale en trouvant de nouvelles connexions dans les données d’essais cliniques ou génétiques pour lesquelles les ordinateurs actuels ne disposent pas d’une puissance de traitement suffisante.
Ils pourraient également améliorer considérablement la sécurité de divers systèmes qui utilisent des algorithmes d’intelligence artificielle, tels que les banques, le ciblage militaire et les véhicules autonomes, pour n’en citer que quelques-uns.
Pour y parvenir, nous devons d’abord franchir une étape connue sous le nom de suprématie quantique, où un processeur quantique résout un problème qui prendrait un temps impraticable à un ordinateur classique.
À la fin de l’année dernière, la puce quantique Willow de Google a finalement démontré la suprématie quantique pour une tâche artificielle – un problème de calcul conçu pour être difficile pour les superordinateurs classiques mais facile pour les processeurs quantiques en raison de leur mode de fonctionnement distinct.
Bien qu’il n’ait pas résolu un problème réel utile, il s’agit d’une réalisation remarquable et d’un pas important dans la bonne direction, qui a nécessité des années de recherche et de développement. Après tout, pour courir, il faut d’abord apprendre à marcher.
Qu’est-ce qui se profile à l’horizon 2025 et au-delà ?
Au cours des prochaines années, les puces quantiques continueront à se développer. Il est important de noter que la prochaine génération de processeurs quantiques s’appuiera sur des qubits logiques, capables d’accomplir des tâches de plus en plus utiles.
Si le matériel quantique (c’est-à-dire les processeurs) progresse rapidement, nous ne pouvons pas non plus ignorer l’énorme quantité de recherche et de développement dans le domaine des logiciels et des algorithmes quantiques.
En utilisant des simulations quantiques sur des ordinateurs normaux, les chercheurs ont développé et testé divers algorithmes quantiques. L’informatique quantique sera ainsi prête pour des applications utiles lorsque le matériel quantique aura rattrapé son retard.
La construction d’un ordinateur quantique grandeur nature est une tâche ardue. Elle nécessitera des avancées simultanées sur de nombreux fronts, tels que l’augmentation du nombre de qubits sur une puce, l’amélioration de la fidélité des qubits, une meilleure correction des erreurs, des logiciels quantiques, des algorithmes quantiques et plusieurs autres sous-domaines de l’informatique quantique.
Après des années de travail fondamental remarquable, nous pouvons nous attendre à ce que 2025 apporte de nouvelles percées dans tous les domaines susmentionnés.
Muhammad Usman, responsable des systèmes quantiques et chercheur principal, CSIRO
Cet article est republié sur The Conversation sous une licence Creative Commons. Lire l’article original. Traduction Enerzine.com
