Retour vers le futur. Dans Matière noireDans la série diffusée par Apple TV+ à partir du 8 mai, un scientifique est plongé dans des vies parallèles grâce à la physique quantique.
Pour comprendre son fonctionnement, 20 minutes » a interrogé Xavier Vasques, vice-président et CTO (directeur technique) d’IBM Technologie et R&D. A la tête d’une équipe de trois cents chercheurs, il revient notamment sur l’expérience du chat de Schrödinger évoquée dans la série et nous révèle comment l’informatique quantique va très bientôt ouvrir le champ des multiples possibles…
Comment expliquer ce qu’est un ordinateur quantique ?
L’informatique classique traite les informations avec des 0 et des 1. Ou des petits transistors qui s’ouvrent et se ferment et laissent passer ou non un courant. En effectuant ces opérations, nous effectuons des calculs. Qui restent très simples. Nous codons une application. Nous le compilons. Il se transforme en 0 et 1.
Dans le cadre quantique, les transistors sont transformés en atomes. Nous envoyons un signal et nous contrôlons les atomes. Quand on veut avoir l’état d’un atome au temps « t », il faut imaginer une sphère, avec l’état 0 au pôle Sud, et l’état 1 au pôle Nord, et une flèche qui part du centre et donc la fin indique l’état dans lequel se trouve l’atome. Cet état, tant qu’il n’est pas mesuré, peut avoir une certaine probabilité d’être l’état 1, et une certaine probabilité d’être l’état 0. Nous sommes dans un état de superposition.
Ce est-à-dire ?
Les physiciens disent : « ne me demandez pas comment ça marche, c’est la nature qui fonctionne comme ça ! « . Pour les gens ordinaires, habitués au monde de l’infiniment grand, c’est en effet difficile à comprendre. C’est l’histoire de l’expérience du chat de Schrödinger. Considérons une expérience de pensée en physique quantique conçue par Erwin Schrödinger pour illustrer l’étrangeté de la superposition quantique.
Imaginons un chat dans une boîte fermée avec un appareil capable de le tuer au hasard. Selon les principes de la mécanique quantique, jusqu’à l’ouverture de la boîte, le chat est considéré à la fois vivant et mort. Ce n’est qu’à l’ouverture de la boîte que l’état du chat devient l’un ou l’autre, illustrant ainsi les paradoxes de la mécanique quantique appliquée aux objets du quotidien.
Lorsque nous enverrons un calcul ou un signal à un atome, nous maîtriserons précisément ces possibilités.
Dans le même temps, on parle d’intrication quantique. De quoi s’agit-il ?
Dans un même système physique, il existe plusieurs atomes. Si nous connaissons le résultat d’un atome lorsque nous le demandons, nous connaissons celui des autres atomes qui dépendent les uns des autres. Ils sont tous liés.
L’intrication s’apparente donc à un labyrinthe : un ordinateur classique essaie les chemins les uns après les autres jusqu’à trouver le bon. Avec l’intrication, même si nous connaissons le « un » chemin et que nous nous trompons, nous pouvons connaître le résultat correct tout de suite (car les atomes envoyés pour explorer le labyrinthe sont intriqués). D’où une vitesse extrême.
De quel genre de vitesse s’agit-il ?
Je vous donne un exemple. Un ordinateur classique met 0,0025 secondes pour résoudre une multiplication : N x M = P. N et M étant de très grands nombres, on parle d’une taille de 2048 bits ! Un ordinateur quantique prend 75 secondes !
Mais prenons l’opération inverse : vous connaissez P, mais devez trouver N et M. Dans ce cas, un ordinateur classique prend 4,5 milliards d’années CPU (une année CPU correspond à un million d’opérations par seconde). Le résultat n’est même pas imaginable ! L’ordinateur quantique prendrait 8 heures selon sa configuration. Il est conçu pour ce type de calcul, où une puissance exponentielle est requise.
Concrètement, à quoi va servir un ordinateur quantique ?
De nombreux défis scientifiques ne sont pas résolus aujourd’hui en raison du manque de rapidité de calcul. Celle, notamment, de la modélisation des molécules.
Pour fabriquer une tonne d’engrais, par exemple, il faut brûler une tonne de combustibles fossiles. Cela représente entre 3 et 4 % des émissions mondiales de CO2. De nombreux scientifiques se sont intéressés à ce sujet car certaines plantes produisent leurs propres engrais. Pour découvrir leurs secrets, nous ferons de la modélisation moléculaire. Mais avec les ordinateurs classiques, nous ne pouvons modéliser que des molécules très simples comportant un à trois atomes. On ne sait donc pas modéliser celle du café qui possède vingt-quatre atomes. L’ordinateur quantique se prête très bien à ce type de calcul. Grâce à lui, nous débloquerons des projets comme celui-ci. Ou d’autres autour de la batterie du futur, des matériaux qui rendront les avions plus légers….
L’infiniment petit au service de l’infiniment grand donc…
Exactement. Autre exemple : comment trouver la route idéale pour une flotte de navires transportant du gaz naturel à travers la planète. Imaginez cinq cents bateaux, des ports pour charger, d’autres pour décharger. Au milieu, des chemins à trouver en fonction de la météo, du carburant, des zones où l’on peut passer ou pas. Pour l’armateur, il est très compliqué de trouver le chemin optimal ! Le quantique s’y prêtera parfaitement.
Par exemple, IBM travaille avec ExxonMobil sur ce type de problématique. Il est en phase de construction. Les algorithmes existent déjà. Nous attendons que la puissance de calcul se développe.
Le monde de la finance doit être aux aguets ?
Oui, car le quantique permet d’avoir une meilleure précision et des calculs plus rapides. Remplacer les modèles financiers classiques par des modèles quantiques facilitera le développement de produits financiers durables et non plus basés sur des paramètres limités avec beaucoup d’incertitude. Face au quantique, les commerçants limitera les risques de manière franche. À la base de tout cela se cache une croissance beaucoup plus contrôlée.
Quelle est la date limite pour toutes ces promesses ?
Il y a des univers où cela ira plus vite que dans d’autres, comme celui de la chimie. Viendront ensuite les mondes de l’optimisation, de la crypto, apprentissage automatique pour détecter une fraude, par exemple. Cela va se diluer dans les années à venir, même s’il faut rester prudent.
Chez IBM, nous avons un carte routière depuis 2016. Pour l’instant, nous la suivons. Ce que l’on sait, c’est qu’en 2029-2030, nous aurons un ordinateur capable de calculer sans erreur. À partir de 2033, nous pourrons faire des calculs de masse à très grande échelle.
À quoi ressemble un ordinateur quantique ?
IBM a déjà déployé une soixantaine de systèmes de ce type dans le monde, mais pas encore en France. Un ordinateur quantique s’intègre dans une pièce, contient des atomes, immergés dans un réservoir d’hélium liquide proche du zéro absolu, reliés par des câbles. Cet environnement doit être perturbé le moins possible. Ce n’est pas un gros problème centre de données comme un terrain de football.
