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La course pour devenir la première superpuissance mondiale de l'informatique quantique

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De la conception de nouveaux polymères et produits pharmaceutiques à la modélisation du changement climatique et au décryptage des données, les applications potentielles de l'informatique quantique ont déclenché une course mondiale aux armements quantiques.

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Qu'est-ce que l'informatique quantique ?

Depuis la naissance du microprocesseur monopuce il y a 50 ans, les ordinateurs effectuent des calculs en manipulant des bits d'information - des uns et des zéros - à l'aide de minuscules transistors intégrés dans des puces en silicium. Les processeurs modernes rassemblent des dizaines de milliards de transistors dans une puce de la taille d'un ongle.

L'informatique quantique supprime les transistors. À la place, les uns et les zéros - appelés "qubits" - sont enregistrés en modifiant l'état des objets quantiques, par exemple en changeant l'orientation magnétique ou le "spin" de particules élémentaires comme les électrons

Les ordinateurs quantiques les plus puissants d'aujourd'hui ne peuvent enchaîner que quelques dizaines de qubits, mais ils font déjà honte aux superordinateurs traditionnels les plus puissants pour certaines tâches.

Il ne s'agit pas simplement d'une question de puissance de traitement brute. Alors que la charge électrique d'un seul transistor peut représenter un un ou un zéro, un seul qubit peut en fait représenter simultanément un et un zéro grâce aux bizarreries de la mécanique quantique

Les ordinateurs quantiques peuvent ainsi traiter plusieurs résultats simultanément et réduire considérablement le nombre d'étapes nécessaires pour s'attaquer à des problèmes complexes, en les résolvant en quelques minutes plutôt qu'en plusieurs millénaires

Qui ouvre la voie ?

Utiliser les éléments constitutifs de l'univers pour alimenter la prochaine génération de superordinateurs peut sembler relever de la science-fiction, mais l'informatique quantique est déjà une réalité. Les États-Unis et la Chine consacrent des milliards de dollars à la recherche et au développement, tandis que l'Europe investit également massivement et que des percées sont réalisées dans le monde entier.

Outre les universités, les géants technologiques du secteur privé tels qu'IBM, Microsoft, Google, Amazon, Alibaba et Baidu ouvrent également la voie. Parallèlement, des start-ups s'efforcent de résoudre certains des problèmes qui doivent être résolus pour que l'informatique quantique atteigne son plein potentiel.

En octobre 2019, le laboratoire de recherche californien de Google est devenu le premier à atteindre la "suprématie quantique", en effectuant un calcul qui serait pratiquement impossible pour le superordinateur classique le plus puissant. Le processeur Sycamore à 53 qubits de Google a effectué en 200 secondes un calcul qui aurait pris 10 000 ans au superordinateur le plus puissant du monde.

L'université des sciences et technologies de Chine a atteint la suprématie quantique seulement 14 mois plus tard, en affirmant que son ordinateur quantique Jiuzhang était 10 milliards de fois plus rapide que celui de Google.

Quels sont les défis à venir ?

Si la suprématie quantique est une réalisation majeure, si l'informatique quantique est un projet de lune, alors la suprématie quantique n'est que l'équivalent du premier vol spatial de Youri Gagarine. De nombreux défis restent à relever et il faudra peut-être attendre plus d'une décennie avant de disposer d'ordinateurs quantiques à part entière et tolérants aux pannes.

Jusqu'à présent, la suprématie quantique n'a été atteinte qu'à l'aide d'ordinateurs et de calculs spécialement conçus pour démontrer les forces de l'informatique quantique, mais pas pour résoudre des problèmes du monde réel.

Selon le professeur Andrea Morello, une étape clé consistera à atteindre la suprématie quantique "pratique" en s'attaquant à des défis du monde réel. Lauréate du premier prix Rolf Landauer et Charles H. Bennett en informatique quantique de l'American Physical Society, Mme Morello dirige l'une des équipes de recherche en informatique quantique de l'université de Nouvelle-Galles du Sud à Sydney, en Australie.

Selon M. Morello, il faudra peut-être encore attendre une dizaine d'années avant de voir la suprématie pratique de l'informatique quantique. Il est difficile de prédire quel problème sera résolu en premier, mais une possibilité est de calculer une réaction chimique afin de synthétiser un nouveau produit pharmaceutique.

Pour atteindre la suprématie quantique pratique, il faudra corriger les erreurs et assurer la tolérance aux pannes, comme pour les ordinateurs traditionnels. La correction des erreurs s'avère difficile au niveau quantique, où les qubits sont très sensibles aux interférences et ne restent stables que pendant quelques millisecondes, explique M. Morello :

La suprématie quantique de Google a été obtenue à l'aide de portes de qubits "non corrigées" et, bien que cela soit impressionnant, la correction d'erreurs devient importante lorsque l'on vise la suprématie quantique pratique, afin que l'on puisse avoir suffisamment confiance dans le résultat pour l'appliquer au monde réel. La correction d'erreurs quantiques a été démontrée en laboratoire et, à l'heure actuelle, de nombreuses ressources sont investies pour la mener à bien."

Comment les ordinateurs quantiques sont-ils utilisés aujourd'hui ?

Alors que les progrès se poursuivent vers la suprématie quantique pratique, les ordinateurs quantiques intermédiaires offrent toujours un avantage par rapport aux ordinateurs classiques dans certaines applications optimisées, explique Sam Holt, analyste diplômé de GlobalData

"Il faudra peut-être attendre plus d'une décennie avant de disposer d'ordinateurs quantiques à part entière, universels et tolérants aux pannes, mais une flopée de partenariats récents ont exploré des cas d'utilisation sur des dispositifs intermédiaires. En janvier 2021, par exemple, Roche a annoncé une collaboration avec Cambridge Quantum Computing afin de développer des simulations quantiques pour la découverte de nouveaux médicaments contre la maladie d'Alzheimer."

Roche utilise des algorithmes de type NISQ (noisy-intermediate-scale-quantum) qui n'ont pas de correction d'erreur mais qui restent utiles pour certaines tâches.

Une autre approche intermédiaire de l'informatique quantique propose d'installer des processeurs à faible niveau de qubits à côté des processeurs traditionnels pour servir d'"accélérateurs quantiques". Cela permet à certains aspects du traitement de bénéficier de l'avantage quantique, de la même manière qu'un processeur peut confier des tâches spécifiques à une carte graphique dédiée.

Même lorsque la suprématie quantique pratique sera atteinte, M. Holt estime qu'il est probable que les entreprises d'un large éventail de secteurs choisiront de louer du temps sur des ordinateurs quantiques basés sur le cloud plutôt que d'investir dans leur propre matériel.

"Les offres de cloud computing quantique de sociétés telles qu'IBM permettent de généraliser l'informatique quantique. Les principales applications de l'informatique quantique sont la simulation, l'optimisation, l'algèbre linéaire et la factorisation. Ces capacités deviennent de plus en plus des exigences essentielles dans un large éventail de secteurs. Les entreprises de ces secteurs qui n'étudient pas au moins la façon dont l'informatique quantique peut transformer leurs activités risquent de rester à la traîne."

Quelles sont les applications de l'informatique quantique ?

Calculs

Même lorsque la correction des erreurs et la suprématie quantique pratique seront réalisables, les ordinateurs traditionnels resteront considérablement plus petits, moins chers et plus pratiques pour la plupart des calculs, selon M. Morello :

"Utiliser un ordinateur quantique pour résoudre la plupart des problèmes, c'est comme utiliser un 747 pour aller au supermarché. À l'instar d'un gros porteur, l'informatique quantique prouve sa valeur lorsqu'il s'agit de faire le gros du travail."

Chimie

La chimie s'annonce comme la première application phare de l'informatique quantique, qui pourrait aider l'humanité à relever certains de ses plus grands défis. Aujourd'hui, la production d'ammoniac, principal ingrédient des engrais, nécessite des fours à haute température qui consomment 2 % de l'énergie mondiale et produisent 1 % de sa production de CO2. Les bactéries peuvent produire de l'ammoniac à température ambiante et l'informatique quantique pourrait être la clé pour comprendre et reproduire ce processus.

Nouveaux matériaux

Dans le domaine de la fabrication, l'informatique quantique pourrait être utilisée pour développer de nouveaux produits chimiques, polymères et alliages. La fabrication industrielle a encore du mal à reproduire de nombreux matériaux aux propriétés étonnantes qui existent dans la nature, comme la soie d'araignée.

En poids, la soie d'araignée est comparable à l'acier en termes de résistance à la traction, mais la soie n'est pas forgée dans un four. La soie d'araignée étant une protéine fabriquée par l'ADN, la capacité supérieure de l'informatique quantique à modéliser à un niveau subatomique pourrait débloquer la possibilité de fabriquer des matériaux similaires de manière écologique, explique M. Morello :

"L'informatique quantique est une technologie véritablement perturbatrice qui peut avoir une valeur gigantesque pour la science, l'industrie et la société. C'est une technologie tellement transformatrice que la grande majorité de ses applications seront des choses auxquelles nous n'avons même pas encore pensé - l'informatique quantique contribuera à ouvrir de nouveaux mondes."

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