Un exemple de circuit capable de porter des qubits est mis au point par des chercheurs de l’université de Santa Barbara. Ces circuits d’un nouveau genre pourraient permettre la construction d’ordinateurs quantiques. Des composants similaires font l’objet de recherches dans bien des laboratoires dans le monde. © Erick Lucero

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Ordinateur quantique : Google aurait fait des progrès significatifs

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Google, comme tout le monde, n'est toujours pas en mesure de construire un vrai ordinateur quantique universel performant et ne le sera peut-être jamais. Mais il semblerait que ses chercheurs sont peut-être à quelques années tout au plus de démontrer qu'un calculateur quantique simple peut vraiment battre un superordinateur en ce qui concerne certains problèmes bien spécifiques.

Le grand physicien Richard Feynman a été un des premiers à comprendre au début des années 1980 que l'on pouvait mettre à profit les lois de la mécanique quantique pour simuler et mieux comprendre des systèmes quantiques à l'aide d'autres systèmes quantiques. Il se trouve en effet, notamment dans le domaine de la chimie quantique et de la physique du solide que l'on est assez rapidement limité par le volume de calculs nécessaires pour les simuler à l'aide d'ordinateurs classiques. Mais comme l'explique Feynman dans son célèbre ouvrage Leçons sur l’informatique, il est possible au minimum de faire des calculateurs ou des simulateurs quantiques qui permettent de contourner l'obstacle. On doit pour cela utiliser des généralisations des bits d'information classique que l'on appelle des qubits et construire des portes logiques quantiques qui opèrent sur ces qubits. Comme l'indique le physicien Claude Aslangul dans la vidéo en tête de cet article, la superposition quantique et le phénomène d'intrication quantique permettent alors, en quelque sorte, d'effectuer un grand nombre de calculs en parallèle.

La recherche sur les ordinateurs quantiques, ou plus généralement sur les possibilités ouvertes par ce que l'on appelle l'information et les calculs quantiques s'est bien développée depuis une dizaine d'années comme le prouve le livre de Scott Aaronson, Quantum Computing since Democritus. Mais il y a toutefois encore quelques confusions qui règnent dans les médias en ce qui concerne ce que peuvent faire ou ne pas faire des ordinateurs ou des calculateurs quantiques.

Au premier plan, le physicien John Martinis qui explore la voie menant aux ordinateurs quantiques performant basée sur des qubits portés par des circuits supraconducteurs. © UC Santa Barbara

Ordinateurs et calculateurs quantiques ne sont pas la même chose

Un ordinateur quantique, comme tout ordinateur, est censé pouvoir être programmable pour exécuter n'importe quel algorithme quantique. Un calculateur quantique ne peut exécuter qu'un seul algorithme ou pour le moins une classe d'algorithme. On ne peut le programmer pour effectuer n'importe quelle tâche. En outre, s'il est bien exact que certains algorithmes quantiques sont capables, si l'on dispose d'un assez grand nombre de qubits, de battre à plate couture un ordinateur classique, cela ne signifie nullement qu'un ordinateur quantique est systématiquement plus performant qu'un ordinateur classique.

Pire, quand un algorithme quantique semble plus rapide qu'un calcul sur ordinateur classique, il est tout à fait possible que le premier soit finalement un jour battu par le second à la faveur d'un algorithme plus efficace. La supériorité souvent avancée des ordinateurs quantiques pourrait bien être toute relative. De fait, c'est ce qui s'est rapidement passé l'année dernière avec un buzz exagéré par beaucoup de médias en ce qui concerne un calculateur quantique, et pas un ordinateur, utilisé par les chercheurs de Google.

Enfin, il y a aussi avec les ordinateurs ou les calculateurs quantiques le formidable problème de la décohérence quantique, l'influence des perturbations de l'environnement qui dégrade d'autant plus rapidement un calcul quantique qu'il repose sur un nombre de plus en plus élevé de qubits. On ne sait toujours pas s'il est possible de s'en affranchir même s'il est sans doute possible d'en limiter les effets avec des codes correcteurs d'erreurs quantiques analogues à ceux déjà utilisés avec les ordinateurs classiques. De fait, lors de l'interview qu'il avait accordé à Futura-Sciences, le cosmologiste Max Tegmark, qui s'intéresse à ces ordinateurs, nous avait dit que les experts du domaine qu'il avait consulté ne s'attendaient pas, en général, à la réalisation d'un ordinateur quantique performant avant 2050.

Toutefois, le célèbre journal New Scientist fait état d'une publication sur arXiv d'une équipe de chercheurs travaillant pour Google et menée par John Martinis. Le physicien, en poste à l'université de Santa Barbara en Californie est bien connu pour ses succès avec les membres de son groupe de recherche dans le domaine des circuits quantiques supraconducteurs.

Scott Aaronson et Matthias Troyer (de l'École polytechnique fédérale de Zurich en suisse) qui ont critiqué avec discernement jusqu'à présent les tentatives de Google dans le domaine des ordinateurs quantiques semblent nettement moins sceptiques avec ce que propose de faire John Martinis.

Le physicien John Preskill a travaillé sur les monopoles magnétiques et les trous de vers en théorie quantique avant de se concentrer sur le domaine de l'information quantique. © UC Santa Barbara, Kavli Institute for Theoretical Physics

Une manifestation concrète de la suprématie quantique avec 50 qubits

Il s'agirait de donner une preuve incontestable, pratique et non plus théorique, qu'un calculateur quantique peut effectivement faire mieux qu'un superordinateur dans certains cas, établissant ce que le grand théoricien de l'information quantique John Preskill a appelé la « suprématie quantique ».

On sait que l'algorithme quantique permettant de factoriser un entier en produit de nombre premier, l'algorithme de Shor, peut battre les ordinateurs classiques en théorie. Mais pour le vérifier, il faudrait disposer de centaines voire de milliers de qubits protégés de l'effet de la décohérence. Cela semble presque impossible au moins dans un avenir proche.

Il existerait cependant un type de problème dont on sait qu'il échappe au calcul des superordinateurs classiques mais qui devrait être à la portée d'un calculateur quantique avec seulement 50 qubits. C'est celui de la simulation de ce que l'on appelle un circuit quantique aléatoire capable de manipuler 50 qubits. Pour faire simple, un circuit quantique aléatoire est un assemblage d'un choix aléatoire de portes logiques quantiques. Il peut manifester un comportement qui est du domaine du chaos quantique ce qui veut dire que tout comme en physique classique, une petite variation des conditions initiales de l'état de ce système quantique va donner en sortie du circuit un état quantique qui peut être très différent. Tout comme dans le cas de la turbulence dans les fluides, prédire le comportement d'un tel système est très gourmand en calcul.

Selon les chercheurs, un supercalculateur comme Edison, l'un des plus performants au monde, peut tout juste simuler le comportement de circuits quantiques aléatoires avec 42 qubits, avec 48 qubits, il faudrait 2.252 petabytes.

Martinis et ses collègues sont déjà arrivés à un résultat intéressant avec des circuits supraconducteurs portant 9 qubits. D'après New Scientist, ils ont des chances de réussir à atteindre les 50 qubits d'ici 2017 ou pour le moins dans 5 ans. On verra bien.