Un article pour assimiler les concepts de base

De très bons articles, podcasts audio, tutoriels vidéo expliquent les bases du quantique nécessaire pour comprendre le fonctionnement de l’ordinateur quantique. Ils décrivent ses promesses et ce qu’il pourrait changer fondamentalement la recherche, la médecine et , hélas, la finance.

https://support.hp.com/gb-en/drivers/hp-elitebook-840-g3-notebook-pc/7815294

Alain Aspect, prix Nobel de physique 2022 avec John Clauser, Anton Zeilinger, dit que le thème du quantique est accessible à tous les curieux. A ce sujet lire cet entretien dans Le nouvel esprit public Sans notions solides de mathématique ou de physique, il semble possible d’appréhender les bases de la physique quantique, celle qui régit le comportement des particules au niveau nanométrique. Mais il s’agit d’une réflexion contre-intuitive qui rencontre vite un mur difficile à franchir, comme celui qui s’applique à la compréhension des inégalités de Bell * , à la base d’une des propriétés des particules, l’intrication entre deux particules.

Olivier Ezratty explique clairement qu’un ordinateur quantique est toujours un coprocesseur d’un ordinateur traditionnel, comme peut l’être un GPU pour les jeux vidéos ou pour l’entrainement de réseaux de neurones dans le deep learning. Il n’y a pas et il n’y aura sans doute pas d’ordinateur quantique autonome qui ne ferait pas appel aux ordinateurs classiques.

Commençons par l’excellent document du CEA (mai 2021) accessible à tous ceux qui s’intéressent à ce sujet. En particulier, la courte vidéo Comment fonctionne un ordinateur quantique ? qui explique les différences entre un ordinateur classique s’appuyant sur le système binaire avec les bits 0 et 1 et l’ordinateur quantique reposant sur les Qubits.

L’exemple choisi est la recherche d’un ouvrage dans une bibliothèque Alors que les ordinateurs que nous utilisons tous explorent toutes les possibilités les unes après les autres, l’ordinateur quantique exploite l’effet de superposition d’une particule, électron, photon, électron en une seule passe. A savoir que cette particule peut prendre simultanément deux valeurs différentes. Notre ordinateur quantique explore en une seule fois le registre des livres présents dans une bibliothèque, ce qui réduit considérablement l’affichage du résultat. Plus il y a de livres, plus l’ordinateur est performant. Ainsi, alors qu’il faut, par exemple, 50 millions de requêtes à un ordinateur classique, il suffit de 8000 appels pour parvenir au même résultat à l’ordinateur quantique. Intuitivement, tout le monde comprend que ce dernier est bien plus rapide et capable de trouver un résultat dans des délais raisonnables.

Tous les types de calculs ne sont pas éligibles mais la recherche médicale, la recherche dans les immenses bases de données (Big Data) et hélas, la finance, peuvent bénéficier d’une rupture technologique majeure. Elle ne résume pas au calcul en parallèle par plusieurs ordinateurs classiques, il s’agit, réellement, de calculer simultanément plusieurs facettes d’un problème . Si les chercheurs parviennent à le mettre au point avec un prix accessible. Aucun expert sérieux ne s’avise à donner la date où nous pourrons utiliser ces ordinateurs. Si tel est le cas, ils seront réservés dans un premier temps aux très grandes entreprises et aux grands organismes publics.

Des métaphores explicites pour des concepts difficiles à assimiler

Dans la revue La Recherche de Juin 2019, Pascale Senellart, utilise l’image du labyrinthe pour illustrer la rupture fondamentale entre ordinateur classique et quantique. « supposons que l’on veuille faire traverser un labyrinthe complexe par un personnage. Un ordinateur classique, essaiera toutes les vois possibles, les unes après les autres. […] Un ordinateur quantique « superposera » à chaque embranchement tous les états. En une passe, il teste en parallèle toutes les voies possibles. A la sortie, un témoin peut alors extraire la solution. Une autre façon de paralléliser consiste à utiliser les propriétés d’intrication, à savoir un lien étroit entre deux particules, quelle que soit la distance qui les sépare. L‘ordinateur quantique ne remplacera pas l’ordinateur classique. Il le complétera« 

L’architecture d’un ordinateur quantique repose sur des portes logiques qui intriquent les Qubits entre eux. Pour cela il faut un grand nombre de QuBits, les intriquer et maintenir un état de cohérence assez longtemps pour permettre les calculs.

A la question, Pouvons-nous croire aux ordinateurs quantiques ? , Pascale Senellart répond en demi-teinte: « Le chemin que nous avons suivi pour aller du stade où nous étions à l’époque des communications par sémaphores, au XVIII ème siècle, à celle de notre quotidien a aussi été une succession de promesses faites, d’échecs à les satisfaire, puis d’inventions d’alternatives ouvrant sur de nombreuses possibilités auparavant insoupçonnées. J’ai l’impression que dans la quête d’un ordinateur quantique, c’est la même chose, à un rythme effréné.« 

Olivier Ezratty a vulgarisé l’informatique quantique dans un série d’entretiens ici (Epsaa)

Cette vidéo, est une autre bonne vulgarisation des principes de base de l’ordinateur quantique par Landry Bretheau, professeur en physique quantique à l’École polytechnique. L’ordinateur quantique, s’il est réalisable, permettra d’effectuer des calculs parallèles extrêmement puissants pour la recherche et autres domaines mais il ne sera pas accessible à tout un chacun mais via le cloud. Les projections d’un ordinateur quantique universel sont aujourd’hui de l’ordre de la science fiction.

Pour situer le chemin qui reste à parcourir, le processeur quantique est encore au stade exploratoire : il prend beaucoup de place — par exemple, celui sur lequel travaille l’équipe de Loïc Henriet occupe une grosse boîte de 3 mètres sur 2 mètres sur 2 mètres. Un vide très poussé, de 10^-11 mbar, est également nécessaire pour placer les qubits dans des positions bien définies dans l’espace.

Un pdf très intéressant à télécharger « Le quantique accessible a tous » , la revue de l’école Polytechnique.

Une découverte théorique très difficile à expérimenter sur l’intrication à 3 paires de photons

Des physiciens de l’UNIGE (Université de Genève) ont découvert une nouvelle propriété quantique: en plaçant trois paires de photons en réseau, il est possible de les intriquer entre eux et de créer de nouvelles corrélations ultra fortes.

Nous sommes loin d’un ordinateur quantique opérationnel. Plus il y a de Qbits à traiter, plus il y a de « bruit » entrainant des erreurs de calcul. Il est possible de corriger les erreurs classiques avec un traitement connu de longue date dans le domaine des Télécomunications. En revanche, il est beaucoup plus difficile un second type d’erreur, plus problématique. Il s’agit de ce que l’on appelle une « erreur de signe » : on conserve le 0 (l’erreur n’est pas un bit flip) mais le signe est erroné (un signe « moins » au lieu d’un signe « plus », ou l’inverse). C’est ce qu’explique Claire Goursaud, Maître de conférence sur l’internet des objets et le calcul quantique, INSA de Lyon, Inria, INSA Lyon – Université de Lyon dans cet article sur l’ordinateur quantique . Loin des phantasmes de la presse grand public, il reste beaucoup de chemin à parcourir pour obtenir les milliers de Qbits exploitables et sans erreurs nécessaires au fonctionnement d’ordinateurs utilisables. Si les recherches aboutissent, l’ordinateur quantique sera exploité par les grandes entreprises dans un premier temps. Nul de sérieux ne se hasarde à fixer une date.

* A ce propos voir cet exposé d’ANAÏS DRÉAU, chercheuse CNRS, LABORATOIRE Charles COULOMB (Université de Montpellier & CNRS) expliquant le théorème de Bell.

L’institut Pandore a publié une excellente vulgarisation de l’ordinateur quantique à deux niveaux. Avec ou sans explications de mathématiques de base qui permettent de préciser le fonctionnement de ces futurs calculateurs très spécialisés.

(cet article est en révision, je le réorganiserais en fonction des différentes sources et mises à jour. Microsoft a publié cet article sur les principes de base intrication – entanglement – interférence et superposition, utilisés dans l’ordinateur quantique.