Google et la Fondation XPrize ont lancé un concours d'une valeur de 5 millions de dollars (4 millions de livres sterling) pour développer des applications concrètes pour les ordinateurs quantiques qui profitent à la société – en accélérant les progrès sur l'un des objectifs de développement durable des Nations Unies, par exemple. Les principes de la physique quantique suggèrent que les ordinateurs quantiques pourraient effectuer des calculs très rapides sur des problèmes particuliers. Cette concurrence pourrait donc élargir la gamme d'applications dans lesquelles ils ont un avantage sur les ordinateurs conventionnels.
Dans notre vie quotidienne, le fonctionnement de la nature peut généralement être décrit par ce que nous appelons la physique classique. Mais la nature se comporte très différemment à de minuscules échelles quantiques – en dessous de la taille d’un atome.
La course à l’exploitation de la technologie quantique peut être considérée comme une nouvelle révolution industrielle, passant de dispositifs utilisant les propriétés de la physique classique à ceux utilisant les propriétés étranges et merveilleuses de la mécanique quantique. Les scientifiques ont passé des décennies à essayer de développer de nouvelles technologies en exploitant ces propriétés.
Alors qu’on nous dit souvent que les technologies quantiques vont révolutionner notre vie quotidienne, vous serez peut-être surpris que nous devions encore rechercher des applications pratiques en offrant un prix. Cependant, s’il existe de nombreux exemples de réussite utilisant les propriétés quantiques pour améliorer la précision de la détection et du timing, il y a eu un manque surprenant de progrès dans le développement d’ordinateurs quantiques qui surpassent leurs prédécesseurs classiques.
Le principal obstacle à ce développement est que le logiciel – utilisant des algorithmes quantiques – doit démontrer un avantage par rapport aux ordinateurs basés sur la physique classique. C’est ce qu’on appelle communément « l’avantage quantique ».
L’informatique quantique diffère de l’informatique classique par l’utilisation d’une propriété connue sous le nom d’« intrication ». L'informatique classique utilise des « bits » pour représenter les informations. Ces bits sont constitués de uns et de zéros, et tout ce qu'un ordinateur fait comprend des chaînes de ces uns et zéros. Mais l’informatique quantique permet à ces bits d’être dans une « superposition » de uns et de zéros. En d’autres termes, c’est comme si ces uns et ces zéros apparaissaient simultanément dans le bit quantique, ou qubit.
C'est cette propriété qui permet d'effectuer des tâches de calcul en même temps. D’où la conviction que l’informatique quantique peut offrir un avantage significatif par rapport à l’informatique classique, car elle est capable d’effectuer de nombreuses tâches informatiques en même temps.
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Même si l’exécution simultanée de nombreuses tâches devrait conduire à une augmentation des performances par rapport aux ordinateurs classiques, la mise en pratique s’est avérée plus difficile que la théorie ne le suggère. Il n’existe en réalité que quelques algorithmes quantiques notables capables de mieux accomplir leurs tâches que ceux utilisant la physique classique.
Yurchanka Siarhei / ShutterstockLes plus remarquables sont le protocole BB84, développé en 1984, et l’algorithme de Shor, développé en 1994, qui utilisent tous deux l’intrication pour surpasser les algorithmes classiques sur des tâches particulières.
Le protocole BB84 est un protocole cryptographique – un système permettant d'assurer une communication sécurisée et privée entre deux ou plusieurs parties, considéré comme plus sécurisé que les algorithmes classiques comparables.
L’algorithme de Shor utilise l’intrication pour démontrer comment les protocoles de chiffrement classiques actuels peuvent être brisés, car ils sont basés sur la factorisation de très grands nombres. Il existe également des preuves qu'il peut effectuer certains calculs plus rapidement que des algorithmes similaires conçus pour les ordinateurs conventionnels.
Malgré la supériorité de ces deux algorithmes sur les algorithmes conventionnels, peu d’algorithmes quantiques avantageux ont suivi. Pour autant, les chercheurs n’ont pas renoncé à tenter de les développer. Actuellement, il existe plusieurs orientations principales en matière de recherche.
La première consiste à utiliser la mécanique quantique pour faciliter ce que l’on appelle des tâches d’optimisation à grande échelle. L'optimisation – trouver le moyen le meilleur ou le plus efficace de résoudre une tâche particulière – est vitale dans la vie quotidienne, qu'il s'agisse de garantir un flux de trafic efficace, de gérer les procédures opérationnelles dans les pipelines d'usine, ou de décider des services de streaming ce qu'il faut recommander à chaque utilisateur. Il semble clair que les ordinateurs quantiques pourraient aider à résoudre ces problèmes.
Si nous parvenions à réduire le temps de calcul nécessaire pour effectuer l'optimisation, nous pourrions économiser de l'énergie, réduisant ainsi l'empreinte carbone des nombreux ordinateurs effectuant actuellement ces tâches dans le monde et des centres de données qui les prennent en charge.
Un autre développement qui pourrait offrir des avantages considérables consiste à utiliser le calcul quantique pour simuler des systèmes, tels que des combinaisons d’atomes, qui se comportent selon la mécanique quantique. Comprendre et prédire le fonctionnement pratique des systèmes quantiques pourrait, par exemple, conduire à une meilleure conception de médicaments et à de meilleurs traitements médicaux.
Les systèmes quantiques pourraient également conduire à des appareils électroniques améliorés. À mesure que les puces informatiques deviennent plus petites, les effets quantiques s’installent, réduisant potentiellement les performances des appareils. Une meilleure compréhension fondamentale de la mécanique quantique pourrait permettre d’éviter ce phénomène.
Même si des investissements importants ont été réalisés dans la construction d’ordinateurs quantiques, l’accent a été moins mis sur la garantie qu’ils profiteront directement au public. Cependant, cela semble maintenant changer.
Il reste douteux que nous aurons tous des ordinateurs quantiques chez nous d’ici 20 ans. Mais étant donné l’engagement financier actuel visant à faire du calcul quantique une réalité pratique, il semble que la société soit enfin mieux placée pour les utiliser. Quelle forme précise cela prendra-t-il ? Il y a 5 millions de dollars en jeu pour le découvrir.