La mécanique quantique est une science qui a pris forme au début du XXe siècle. Elle résulte des travaux de très nombreux scientifiques et chercheurs comme Max Planck, Niels Bohr, Erwin Schrödinger, Werner Heisenberg, Max Born, pour n'en citer que quelques-uns. L'informatique est aussi quelque chose de très récent. L'association des deux donne le futur de la technologie moderne : l'informatique quantique.
Les mathématiciens ont bâti des modèles de représentation des données, comme les matrices et l'algèbre linéaire, qui jouent un très grand rôle dans la mécanique quantique pour décrire les états des systèmes quantiques et leurs évolutions. Cette algèbre linéaire est au cœur du fonctionnement des qubits (bits quantiques) des ordinateurs quantiques.
L'informatique classique que l'on connaît aujourd'hui fonctionne à partir du langage binaire, composé de deux chiffres : 0 et 1. Ce langage permet à un ordinateur de comprendre tout ce que nous pouvons y faire aujourd'hui. 0 est un bit, 1 en est un autre. Une suite de 8 bits est appelée octet. Nous pouvons ainsi faire des phrases, grâce à l'enchaînement d'octets.
Mais pour l'informatique quantique, qui ne date réellement que depuis 1998, c'est très différent. L'informatique quantique, quant à elle, travaille avec des qubits, ces qubits, pour bits quantiques, peuvent être simultanément 0 et 1 alors que les bits ordinaires ne le peuvent pas. Tant que le qubit n'a pas de valeur définitive, il aura toutes les valeurs à la fois. C'est un état de superposition quantique. Ce phénomène permet à des ordinateurs quantiques de faire des calculs de façon beaucoup plus rapide puisque les ordinateurs classiques sont limités par ce choix qu'ils doivent faire entre 0 et 1, être les deux en même temps permet de surmonter ce problème, d'aller plus vite et de contenir plus d'informations. Des calculs qui mettent plusieurs semaines à être résolus par nos ordinateurs les plus puissants, mais classiques, sont réalisables en quelques secondes avec des ordinateurs quantiques. La vitesse de calcul est donc le grand avantage de cette nouvelle technologie.
Vous savez probablement que tous les ordinateurs d'aujourd'hui ont 32 ou 64 bits, qui correspondent à la quantité des paquets de données qui se transmettent entre le processeur et la RAM. Lorsque nous téléchargeons un logiciel, il est souvent demandé de choisir entre la version : 32 et 64 bits, en outre, pour doubler la quantité de données de transitions, 64 bits, il faudrait 128 bits (64 x 2 = 128). Mais c'est très différent en ce qui concerne les qubits. Pour doubler la puissance, il suffit d'ajouter un seul qubit. Par exemple, pour un processeur à 3 qubits, ajouter un qubit permet de multiplier sa puissance par deux. En suivant cette logique, nous pouvons en déduire une fonction mathématique permettant de calculer la puissance théorique d'un processeur à x qubits : 2x. Donc, un processeur à 64 qubits a une puissance équivalente à celle d'un processeur monocœur à 264 bits, soit dix-huit milliards de milliards de bits ! C'est pas mal.
Au niveau subatomique :
Chaque qubit est en réalité une particule subatomique, une particule plus petite qu'un atome, qui est le plus souvent un électron ou un photon. Toutes les particules possèdent un angle de rotation (pour faire simple), c'est son spin (mot qui se prononce façon anglaise). Ainsi, en plaçant un électron dans un autre champ magnétique différent du sien, il va s'aligner à ce champ. L'électron obtient la valeur 0 puisqu'on l'oblige à s'aligner différemment. Mais dans le cas où l'on applique une force extérieure sur la particule, il s'alignera dans le sens contraire du champ magnétique, il obtient alors la valeur 1. La particularité du qubit repose dans le fait qu'une particule subatomique peut avoir un spin différent au même moment, donc avoir 1 et 0. C'est cette superposition quantique qui définira les probabilités de la valeur finale.
Problème du voyageur de commerce :
Imaginons que nous avons la figure suivante :
Le but est de trouver le trajet le plus court à partir de la ville A en traversant toutes les autres villes dans l'ordre que l'on veut, pour finalement retourner au point de départ. Mais le voyageur ne peut pas passer deux fois par la même ville. Cela semble simple mais en ce qui concerne un ordinateur, cela devient vite complexe. L'ordinateur doit calculer toutes les possibilités avant de donner un résultat. Pour quatre villes, la A n'est pas comptée car c'est le point d'arrivée, le calcul repose dans le principe des factorielles, où n correspond au nombre de villes :
Donc, dans notre cas :
Par conséquent, il y a trois possibilités de parcours, et la plus optimale est celle-ci :
- A => C => B => D => A (7 km)
L'ordinateur va donc choisir le second trajet puisque c'est le plus court. Là l'ordinateur n'a aucun problème à calculer. Mais le calcul se complexifie plus on rajoute de villes, ainsi, lorsqu'il y a 71 villes :
5.1080 est le nombre supposé d'atomes contenus dans l'Univers observable. Autant dire qu'un ordinateur refusera tout simplement de calculer autant de possibilités pour notre problème. Cependant, les ordinateurs quantiques pourraient faire le calcul ! La vitesse de calcul dépendrait bien sûr du nombre de qubits.
Température :
Vous imaginez bien que s'il n'y avait aucun problème avec l'informatique quantique, on l'aurait sûrement déjà. Chaque ordinateur doit être refroidi pour son bon fonctionnement, afin qu'il ne surchauffe pas. Mais le refroidissement pour des ordinateurs quantiques est très différent, et pas qu'un peu. Déjà, son fonctionnement risquerait d'être impacté par le champ magnétique terrestre, il doit donc être protégé ce qui ne facilite pas la tâche. Un tel ordinateur doit être refroidi à une température d'environ 0,015° Kelvin (K) ! Pour rappel, 0 K correspond au zéro absolu, soit la température la plus basse possible dans l'Univers : -273,15° C. Vous pouvez comprendre que faire plus froid c'est difficilement réalisable. À titre de comparaison, l'espace à une température d'environ 3° K. On peut tous comprendre pourquoi on ne les voit toujours pas chez nous.
Consommation énergétique :
Nous sommes en droit d'imaginer que de tels ordinateurs demandent une consommation folle en électricité. Pour comparaison, le super ordinateur Pangea de la société Total a besoin de 4,5 mégawatts, soit 4,5 millions de watts, pour fonctionner pleinement. L'ordinateur D-Wave 2X, de 2000 qubits, avec son refroidissement et ses autres composants, ne demande qu'environ 25 000 watts ! C'est 180 fois moins ! En conclusion, la consommation électrique pour un ordinateur quantique n'est absolument pas un problème, au contraire, ce serait mieux pour l'environnement.
Sécurité :
Nous sommes dans une ère numérique. Les piratages informatiques surviennent presque quotidiennement. Si une personne mal attentionnée réussissait à pirater un ordinateur quantique, cela pourrait engendrer de graves problèmes puisqu'il serait plus facile de dérober les informations personnelles telles que l'identité de la personne, ses mots de passe, son numéro de carte bancaire,... C'est pourquoi un système de protection, sans doute le meilleur, fut créé. C'est un système de chiffrement à base de clés quantiques. L'information envoyée ne pourrait être lue que par son destinataire. Si une tierce personne tentait de lire le contenu de la clé, elle s'altérerait elle-même, chose rendant impossible le vol de données. Mais bien sûr, cela n'est pas si simple. Ce genre de système ne fonctionne qu'en fibre optique sur une distance maximale de 300 kilomètres. La solution pour contourner ce problème fut trouvée par la Chine qui a pensé à mettre en orbite un genre de satellite quantique ultra-sécurisé. Là est peut-être le futur d'Internet.
L'avenir :
Malheureusement, avoir un ordinateur quantique à la maison n'est pas pour demain, en effet, il va falloir encore attendre quelques années au moins, si ce n'est pas plusieurs décennies, puisque ce seront l'armée et les entreprises qui ont le budget, qui pourront en profiter les premiers. Une telle évolution de la technologie prend du temps, difficile de prévoir. Néanmoins, cette nouvelle technologie très prometteuse n'en est qu'à ses débuts, et elle ne va faire que s'améliorer encore. Cela pourrait toucher tous les domaines, notamment celui de la science.