Comment évolue l’informatique quantique aujourd’hui et votre organisation devrait-elle s’y intéresser ?
Les messages relatifs aux nouvelles avancées des ordinateurs quantiques se succèdent à un rythme toujours plus rapide. En février, Fujitsu a annoncé un partenariat avec l’Université technique de Delft aux Pays-Bas pour mener des recherches sur l’informatique quantique. Bien que la technologie soit en développement depuis plusieurs années maintenant, les travaux se limitaient jusqu’à présent au domaine de la recherche universitaire et aux très grandes entreprises technologiques, dont IBM et Google, qui proposent désormais la technologie quantique dans le cloud.
Il y a une raison majeure pour laquelle un nombre croissant d’entreprises se lancent dans la mêlée : la puissance de calcul. “Pour des technologies comme l’IA, vous devez disposer de capacités de calcul gigantesques”, explique Vivek Mahajan, directeur technique mondial de Fujitsu. À nos yeux, l’informatique quantique est la seule voie possible. »
Quoi qu’il en soit, il souligne que pour des entreprises comme Fujitsu, les ordinateurs quantiques ont depuis longtemps cessé d’être un vague rêve d’avenir et que de véritables cas d’utilisation pratiques se développent. « Je pense que le quantique aura un impact extrêmement important sur le potentiel commercial de Fujitsu et sur l’offre de notre entreprise sur le marché mondial », note Mahajan. Certaines questions doivent encore être résolues, mais les opportunités sont énormes. »
Ces opportunités dépendent du fonctionnement des ordinateurs quantiques. En effet, à la place des traditionnels bits binaires sous forme de 0 et 1, un ordinateur quantique utilise des qubits qui peuvent avoir un état 0, 1 ou les deux à la fois (par superposition). Cela offre de multiples possibilités supplémentaires, même si différents obstacles doivent être surmontés.
Utilitaire
“L’informatique quantique atteint désormais un niveau que nous n’aurions pas imaginé il y a 50 ans”, ajoute le Dr Heike Riel, IBM Fellow et directeur de la recherche sur l’informatique quantique pour l’Europe et l’Afrique chez IBM. . Nous sommes désormais au stade « utilitaire » où le quantique peut être utilisé pour la recherche et la science plutôt que de se limiter aux calculs classiques de « force brute », ce qui repousse les limites des perspectives offertes. »
Pour y arriver, toute une série de processus ont convergé. Développer une toute nouvelle technologie nécessite beaucoup de travail, à commencer par le matériel. « Dès le départ, une dizaine de manières différentes ont été imaginées pour créer un qubit. Entre-temps, beaucoup d’entre eux ont été abandonnés car compliqués à mettre en œuvre, constate Koen Bertels, fondateur de l’accélérateur QBee et professeur depuis 20 ans déjà à la TU Delft, spécialisé en informatique quantique.
« Quiconque connaît Python devrait être capable de programmer un ordinateur quantique. »
L’un des procédés les plus connus repose sur des puces de circuits supraconducteurs. Il s’agit d’un équipement qui doit être refroidi à quelques millikelvins au-dessus du « zéro absolu » (-273,15°C) pour fonctionner correctement. Ces systèmes ont été parmi les premiers à être présentés au grand public. Entre-temps, des start-ups et des entreprises travaillent au développement de technologies de qubits, notamment de points quantiques ainsi que de dispositifs photoniques et topologiques.
«Nous collaborons avec IBM sur les qubits supraconducteurs, car il s’agit actuellement de la technologie la plus avancée et présente des avantages en termes d’évolutivité et de rapidité», estime Riel. Et maintenant, nous passons à la vitesse supérieure. Nous travaillons sur des stacks complets, incluant les qubits, les processeurs quantiques et l’électronique associée, les systèmes de refroidissement ainsi que les logiciels et algorithmes sans oublier les applications. » Et il ajoute que ces systèmes et leur refroidissement nécessiteront un espace spécialement dédié, ce qui est désormais une évidence. « Ces systèmes ont également beaucoup évolué ces dernières années. Nous utilisons désormais le refroidissement en cycle fermé, qui permet d’installer un ordinateur quantique dans un data center traditionnel. Nous les avons construits pour permettre une utilisation fiable et stable sur une longue période. Il faut certes un data center doté d’une infrastructure spécifique, mais l’électronique est aujourd’hui tellement miniaturisée que l’ordinateur peut facilement s’intégrer à l’ensemble. »
Évolutivité
Le problème majeur, insiste-t-on encore, consiste à faire évoluer l’ordinateur en taille. Deux facteurs sont ici décisifs : le nombre de qubits dont dispose un ordinateur et le nombre de « portes ». Ces portes quantiques sont tout à fait comparables aux « portes logiques » des ordinateurs traditionnels (Not, And, Or), mais ont une fonctionnalité unique, basée sur des phénomènes quantiques. L’un des problèmes majeurs est l’augmentation du nombre de qubits et de portes sur une puce. C’est ainsi qu’en décembre 2023, IBM a par exemple été le premier à franchir la barre des 1 000 qubits puisqu’une puce Condor intégrait 1 121 qubits supraconducteurs.
Mais dans la mesure où il y a une course, tout le monde n’utilise pas le même véhicule. C’est ainsi qu’en juillet dernier, Intel a dévoilé sa première puce quantique maison, la Tunnel Falls, une puce dotée de 12 qubits et qui fonctionne avec des points quantiques. Cela peut paraître petit, mais il s’agit d’un système complètement différent, basé sur la technologie du silicium dans laquelle la fonderie s’est spécialisée depuis des années. Cette « puce chaude » fonctionne à 1,6 kelvin, soit -271°C, ce qui, selon Intel, fait une grande différence compte tenu des températures extrêmes en question. Intel espère en tout cas que sa technologie sera meilleure et plus évolutive que celle de ses concurrents.
L’objectif que se sont fixés pour l’instant tous les acteurs est la barre des 100 000 qubits. Un tel ordinateur serait alors capable de résoudre les plus gros problèmes de la planète, souvent en association avec des supercalculateurs plus traditionnels.
Correction des erreurs
L’évolutivité n’est pas le seul défi. « Dans les ordinateurs classiques, la marge d’erreur est très faible. Ceux-ci sont également corrigés pour que personne ne s’aperçoive de rien. Dans le monde quantique, en revanche, une erreur peut survenir une fois sur cent ou sur mille opérations», insiste Koen Bertels. Selon lui, le problème réside dans la relative instabilité des particules élémentaires. Comme elles peuvent être à la fois 0, 1 ou un état superposé, ces particules sont très sensibles à leur environnement, qui est susceptible d’influencer involontairement l’état quantique d’une particule.
« De nombreux secteurs vont s’ouvrir à l’informatique quantique. »
La technique de « correction d’erreur quantique » est donc l’une des voies de recherche dans la construction d’un ordinateur quantique plus pratique. Les chercheurs parlent ici d’ordinateurs quantiques « bruyants » (NISQ ou « ordinateurs quantiques à échelle intermédiaire bruyants ») versus ordinateurs quantiques « tolérants aux pannes » (FTQC) où des mesures sont prévues pour corriger les erreurs.
Comment se fait cette correction d’erreur ? Sans entrer dans les détails, il s’agit d’interconnecter plusieurs qubits. Si on connecte par exemple 3 qubits, ils doivent tous avoir le même état. Cependant, si l’un d’eux est influencé par l’environnement, le système qui compare les états de celui-ci et des deux autres peut corriger si nécessaire.
Les systèmes NISQ et FTQC sont largement développés en parallèle. C’est ainsi que si l’on analyse la feuille de route d’IBM, on remarque que la puce Concord possède plus de 1 000 qubits, tandis qu’une autre en possède 133. « La puce Heron est une nouvelle technologie où la marge d’erreur est plus petite, souligne Heike Riel d’IBM. Le nombre de qubits est donc inférieur, mais les puces comportent également beaucoup moins d’erreurs. Il présente également un temps de réponse beaucoup plus rapide, ce qui permet de résoudre des problèmes plus complexes. » Heron est un élément d’un système quantique basé sur une approche modulaire, tout à fait comparable à celle de l’environnement multicœur d’un ordinateur classique. « L’architecture est un peu plus complexe, mais en principe, nous connectons 3 Herons dans une puce plus grande qui prend en charge la liaison quantique pour fonctionner comme une grande puce quantique. »
Le reste de la pile
Améliorer et miniaturiser le matériel est une chose, mais être capable d’utiliser une telle technologie nécessite plus qu’un simple expert en physique. En d’autres termes, vous avez besoin d’applications. «La pile logicielle doit permettre d’utiliser l’informatique quantique par des informaticiens qui ne maîtrisent pas nécessairement la physique», précise Riel. Bref, quiconque connaît Python devrait être capable de programmer un ordinateur quantique. C’est ainsi que des logiciels open Source comme Quskit permettent de tester. »
Sur cette base, la base commerciale potentielle des ordinateurs quantiques devrait être élargie pour résoudre des problèmes trop complexes pour les ordinateurs traditionnels. Heike Riel cite l’exemple de la recherche moléculaire qui nécessite une puissance de calcul exponentielle selon la taille des molécules. « Désormais, différents secteurs industriels utilisent l’informatique quantique, ce qui ouvre clairement des opportunités. Nous essayons maintenant d’identifier les problèmes spécifiques à l’industrie et comment intégrer les algorithmes et flux appropriés dans un ordinateur quantique. »
La plupart des exemples concrets se trouvent aujourd’hui dans la recherche scientifique, notamment dans le développement de médicaments, la recherche moléculaire, la prévision des tsunamis, la dynamique des fluides, etc. Si ce sont pour l’instant des niches, Koen Bertels estime qu’il conviendrait de voir beaucoup plus large. « Il nous faut une vision, sachant qu’au niveau des puces et des transistors actuels, nous atteignons presque le nanomètre. Plus bas, nous arrivons dans le monde de la mécanique quantique. Dans cet univers, tout se comporte différemment et les mathématiques sont différentes, ce qui va provoquer une révolution. Mais c’est une révolution dont les entreprises et les universités doivent prendre conscience. De nombreux autres domaines devront à terme se lancer dans l’informatique quantique. Tous les domaines scientifiques qui utilisent l’informatique devront eux aussi adopter cette technologie et ont donc tout intérêt à s’y préparer. »
