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Comment construire un ordinateur quantique?

by CIFAR avr. 4 / 14
Le domaine de la mécanique quantique semble toujours aussi mystérieux, même cent ans après que Niels Bohr a proposé son modèle quantique de l’atome.

La théorie quantique nous a donné des vagues qui sont aussi des particules; des particules qui sont d’une façon ou d’une autre « enchevêtrées » les unes avec les autres; et des particules qui sont en « superposition », à la fois ici et là ou en haut et en bas

Toutefois, ces mêmes propriétés quantiques pourraient aussi receler la clé de nouveaux ordinateurs puissants. Grâce à un ordinateur quantique fonctionnel, des problèmes difficiles pourraient devenir faciles – des problèmes comme la factorisation de très grands nombres ou la simulation d’interactions moléculaires complexes.

Nos ordinateurs traditionnels qui répondent aux lois de la physique classique travaillent avec des bits d’information qui sont soit On soit Off. Toutefois, les bits quantiques ou « qubits » peuvent être superposés et représenter les positions On et Off en même temps et permettre éventuellement une puissance de calcul incroyable. Un ordinateur quantique composé de quelques centaines de qubits pourrait rapidement résoudre un problème auquel un superordinateur classique travaillerait toujours une fois les réserves énergétiques du Soleil épuisées.

Mais il y a beaucoup de pain sur la planche. Il faut mettre au point des appareils pratiques et inventer des algorithmes qui tirent profit des effets quantiques, comme la superposition, l’enchevêtrement et l’interférence quantique. Récemment, lors d’une réunion du programme Informatique quantique de l’ICRA, tenue à Sherbrooke, REACH a rencontré Raymond Laflamme (Université de Waterloo), le directeur du programme, et les Boursiers principaux John Watrous (Université de Waterloo) et Barry Sanders (Université de Calgary) pour parler de l’avenir de l’informatique quantique.
CIF

Raymond Laflamme

Pourquoi donc s’intéresser à l’informatique quantique?

Laflamme: L’informatique quantique nous permet de faire des choses qui sont impossibles avec un ordinateur classique. Les ordinateurs de nos jours observent les règles de la physique classique pour manipuler l’information. Quand on passe à l’échelle atomique, les lois de la physique changent. Nous avons découvert que les lois de la mécanique quantique semblent nous aider à manipuler l’information de diverses façons qu’un ordinateur classique ne permet pas. Il ne s’agit pas seulement d’un changement graduel, mais plutôt d’une discontinuité dans l’échelle de l’efficacité.

Watrous: Nous disposons d’exemples de problèmes que les ordinateurs quantiques ont apparemment plus de facilité à résoudre que les ordinateurs classiques, nous révèlent des modèles théoriques. En vertu de ces modèles, nous pourrions, en principe, fabriquer un ordinateur quantique qui factoriserait des nombres efficacement. Et l’on ignore comment réaliser cette tâche à l’aide d’un ordinateur classique. Cet exemple et d’autres nous laissent croire que les ordinateurs quantiques offrent beaucoup de possibilités.

Nous parlons de problèmes qu’un ordinateur classique n’arriverait pas à résoudre dans un délai raisonnable. Même avec les algorithmes les plus puissants du jour, l’ordinateur classique y mettrait plus de temps que prendrait le Soleil pour engloutir la Terre. Certains problèmes dépassent tout simplement les capacités d’un ordinateur classique.

S’agira-t-il d’appareils spécialisés créés pour résoudre des problèmes particuliers? Ou bien y aura-t-il des appareils informatiques d’usage général?

Sanders: Nous ne cherchons pas nécessairement à inventer un nouvel ordinateur. Si nous réussissons à faire fonctionner les choses, je crois qu’il n’y aurait qu’à installer une puce complémentaire. Conséquemment, nous tirons profit des ordinateurs existants auxquels, plutôt que d’ajouter une fonction turbo, on ajoute une puce complémentaire qui nous permet de résoudre des problèmes difficiles.

On perçoit les états quantiques comme des choses extrêmement fragiles qui sont sans cesse sur le point de s’effondrer. Mais vous parlez de fabriquer des appareils qui vous permettent de créer et de manipuler ces états.

Sanders: Oui, en effet, l’une des choses avec la mécanique quantique c’est qu’on peut l’ignorer dans presque tous les domaines. Elle a son utilité si l’on veut comprendre les atomes, les molécules et les noyaux, mais on peut l’ignorer pour toutes les échelles supérieures. Voilà maintenant où nous voulons repousser les frontières. Nous pouvons concevoir des systèmes où la mécanique quantique est utile à plus grande échelle et en exploiter les caractéristiques.

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Quand aurons-nous à notre disposition des ordinateurs quantiques fonctionnels?

Watrous: En 2014, nous célébrons le 20e anniversaire de l’algorithme de [Peter] Shor qui démontre comment se servir d’un ordinateur quantique pour factoriser efficacement des nombres. Il y a vingt ans, les gens demandaient : « Dans combien de temps serez-vous capables de fabriquer un ordinateur quantique »? Et les gens habituellement répondaient : « Eh bien, dans vingt ans ».

Sanders:
C’est toujours vingt ans.

Watrous: Oui, c’est juste. Toutefois, nous avons appris des tonnes de choses sur la nature du problème. Nous avons un défi de taille à relever, mais nous sommes optimistes.

Laflamme: Si vous pensez à un ordinateur quantique à grande échelle, l’échéancier est toujours flou. Cependant, nous disposons maintenant de petits appareils où les effets quantiques sont importants et que nous utilisons aujourd’hui. Des percées en métrologie quantique et en détection quantique ont permis la mise au point d’appareils qui nous permettent de créer, par exemple, des images d’électrons simples qui pourraient mener, entre autres, à la création d’images détaillées de protéines ou d’autres molécules d’intérêt.

Sanders: Je suis d’accord avec Ray pour dire qu’au fil du temps nous pouvons tirer profit de plus en plus de percées. Il y a tout ce qui concerne la métrologie quantique, les retombées de la nanotechnologie, et ainsi de suite.

Quelle est la place du Canada dans tout ça?

Laflamme: Nous avons des gens qui sont vraiment très forts. La combinaison de la physique et de l’informatique est une caractéristique singulière du programme de l’ICRA. Pour cette raison, le programme a réalisé de grandes avancées.

"Quantum computing allows us to do things we cannot do with classical computers."Raymond Laflamme, directeur de programme : « L’informatique quantique nous permet de faire des choses qui sont impossibles avec les ordinateurs classiques. »

Quelles sont les grandes questions qui vous intéressent?

Watrous: Je m’intéresse aux mathématiques de l’informatique quantique. Il y a de nombreuses questions sans réponses, des questions sur l’enchevêtrement, par exemple. On comprend très mal le phénomène de l’enchevêtrement dans les grands systèmes. Les divers types de corrélations qui peuvent découler des états enchevêtrés, par exemple, sont un grand mystère et il faudra résoudre des énigmes mathématiques pour jeter de la lumière sur la question.

Je m’intéresse aussi à des questions associées à la complexité computationnelle où l’on tente de comprendre les limites de la puissance des ordinateurs quantiques.

Et vous, Barry?

Sanders: Je m’intéresse à la question originale de Feynman [Richard Feynman, physicien] qui a motivé l’idée du calcul quantique : peut-on simuler la nature? Connaissez-vous le film La Matrice? Si vous ne l’avez pas vu, je suis désolée de vendre la mèche…

Watrous: Ce film date. Vous n’avez pas à vous inquiéter de révéler quoi que ce soit.

Sanders: L’idée est de savoir si on vit dans le monde réel ou dans la matrice. Et disons que la matrice existe bel et bien, l’ordinateur en charge est-il de type classique ou quantique?

Mais la véritable question est de savoir si l’on peut simuler la nature. C’est la question qui me stimule vraiment, est-ce que l’Univers tel qu’on le connaît équivaut en quelque sorte au calcul quantique ou pas? Et ensuite, toute la technologie et les trucs connexes sont ce dont j’ai besoin pour gagner ma vie afin d’être capable de réfléchir à la question.

Et vous, Ray?

Laflamme: J’aimerais savoir si nous pouvons maîtriser les systèmes quantiques et, le cas échéant, comment. Si vous songez à l’histoire de l’humanité et à l’évolution technologique, de la découverte du feu il y a 20 000 ans, à la vapeur il y a 200 ans et à l’électricité il y a 100 ans, vous pouvez voir qu’un esprit curieux a toujours lancé le bal.

Certaines choses piquent notre curiosité et, en nous activant le cerveau, nous apprenons comment démystifier ces phénomènes de la nature et à en comprendre un peu le fonctionnement. Une fois notre compréhension bien établie se dessine une piste pour maîtriser ces phénomènes.

La mécanique quantique a au moins cent ans. À l’époque, nous nous sommes rendu compte de l’existence de ce nouveau phénomène de la nature. La formulation de la théorie a pris du temps et nous avons appris des choses sur la maîtrise d’aspects limités du monde quantique, mais nous ne savons toujours pas comment maîtriser la superposition de multiples états, propriété qui constitue l’essence du calcul quantique et de l’informatique quantique. La maîtrise du phénomène est ce qui compte. Voilà pourquoi je fais ce que je fais.

Watrous: Votre réponse est beaucoup plus romantique que la mienne. Moi je veux tout simplement prouver des théorèmes.

Laflamme: Et voilà ce qui me plaît dans nos interactions.

Watrous: Eh bien, vous êtes parmi les personnes qui ont prouvé l’un des théorèmes fondamentaux du calcul quantique, le théorème du seuil. Il s’agit d’un résultat d’une importance fondamentale qui nous donne confiance et, à tout le moins, espoir de pouvoir construire un jour un ordinateur quantique.

Laflamme: Oui, mais j’ai eu de l’aide.