L’ordinateur quantique pour les nuls

Selon la loi de Moore. En 2020, les transistors seront de la taille d’une atome. On parle alors de processeurs ou d’ordinateurs quantiques.

    En 1947, L’ingénieur américain Howard Aiken a déclaré que 6 ordinateurs seulement pourraient satisfaire les besoins informatiques de tout l’Amérique. Eh bien, on peut lui dire que tu avais tord. La prolifération des ordinateurs personnels et l’émergence d’Internet a fait gonfler nos besoins en puissance de calcul. Gordon Earle Moore a prédi dans sa fameuse loi de Moore, que le nombre de transistors sur un microprocesseur doublera tous les 18 mois. Si on se base sur ses calculs, en 2020, la taille d’un transistor approchera celle d’un atome. Il serait alors logique de voir débarquer de nouveaux types de processeurs se basant sur la puissance des atomes et des molécules pour effectuer les calculs. Commencera alors l’ère des ordinateurs quantiques. Ces ordinateurs quantiques auront le potentiel d’effectuer certains calculs beaucoup plus rapidement que n’importe quel ordinateur à base de silicium. Les scientifiques se sont déjà penchés sur le sujet des ordinateurs quantiques depuis le début des années 90 et ont même réussi à créer des calculateurs de base qui peuvent effectuer certains calculs, mais un ordinateur quantique pratique est encore loin de voir le jour.

Le qubit:

Avant de commencer à définir un ordinateur quantique, il faudrait connaître le qubit. Le qubit est en quelques sorte la même chose d’un bit dans un ordinateur classique. Comme on le sait, le bit peut prendre deux valeurs, Zéro ou un selon l’état du transistor. Le qubit, qui est lié à l’atome, au photon ou à l’électron peut avoir trois état, on va dire le 1, le 0 et une superposition de 1 et de 0. Le fait d’avoir cette état de superposition entre le 0 et le 1 permet au qubit, quand il est accompagné d’un autre qubit d’avoir quatre états, et quand on rajoute deux autres qubits, on aura 16 états. La loi générale sera alors “2” à la puissance “n” avec “n” qui est le nombre de qubit dans le processeur. Je vous laisse imaginer la quantité d’information qu’on pourrait traiter avec plusieurs qubits dans le processeur. Il existe plusieurs façons physiques de représenter un qubit, on peut le représenter par les spin d’électron, par les niveaux d’énergie dans un atome ou par la polarisation d’un photon.

Les Contraintes

On a du mal à imaginer comment on pourrait piéger quelques atomes ou électrons dans sa tour d’ordinateur et les utiliser comme processeur. Le monde microscopiques atomiques est un monde instable qui interagit très rapidement avec les conditions externes. On pourrait résumer les contraintes en deux éléments majeurs: Premièrement, pendant la phase de calcul, le système doit être totalement isolé du monde extérieur. On ne le laisse communiquer avec l’extérieur qu’avant l’introduction des données et après la lecture des résultats. L’isolement thermique total ne peut bien sur pas exister, mais si l’on arrive à maintenir le système sans interférence juste les quelques microsecondes nécessaires pour le calcul, on pourrait avoir nos résultats. Ce phénomène d’interférence est appelé décohérence, c’est le principal obstacle actuel à la réalisation d’ordinateur quantique. Le temps de décohérence correspond pour un système quantique au temps pendant lequel ses propriétés quantiques ne sont pas corrompues par l’environnement externe. Deuxièmement, le calcul doit se faire sans la moindre perte d’information. En particulier tout circuit de calcul quantique doit être réversible. Dans les circuits logiques “classiques” certaines portes ne vérifient pas cette propriété (porte NAND par exemple). Cependant des astuces de construction permettent de contourner cette difficulté en conservant des informations supplémentaires non directement utiles. Toutes les portes classiques ont un équivalent quantique. De nombreux projets ont réussi à créer un environnement quantique idéal pour réaliser des ordinateurs quantiques. Ils ont pour la plupart utilisé des circuits supraconducteurs avec jonction Josephson, des pièges à ion ou des atomes provenant d’un condensat de Bose-Einstein piégés dans un réseau optique.

Les ordinateurs quantiques, réalité ou flop?

Les ordinateurs quantiques pourraient un jour remplacer les puces de silicium, c’est une réalité mais ce ne sera pas effectif prochainement. Pour l’instant, la technologie nécessaire pour développer un tel ordinateur quantique est hors de notre portée. La plupart des recherches en informatique quantique sont encore purement théoriques. Les ordinateurs quantiques les plus avancés n’ont pas pu aller au-delà de 16 qubits, ce qui fait qu’on est encore loin d’une application pratique. Cependant, le potentiel est là et avec plus de recherche et d’innovations, on pourrait voir émerger des ordinateurs quantiques capables de faire des calculs jusqu’ici inconcevable avec les ordinateurs classiques.