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Reportages

L'ordinateur quantique mettra l'internet K.O.

Par Joël Leblanc - 24/11/2016
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En attendant la construction du nouveau pavillon de l’Institut quantique de l’Université de Sherbrooke, le physicien Alexandre Blais s’accommode de l’étroit local qui lui sert de bureau. Les choses sont en train de changer pour le jeune chercheur et ses équipiers, alors que l’Institut vient de recevoir 33,5 millions de dollars, la plus importante subvention de recherche de son histoire. Et tout repose, en bonne partie, sur un petit disque métallique à l’aspect futuriste qu’il sort d’un écrin et manipule avec délicatesse.

« C’est un ordinateur quantique; du moins, c’en est le cœur », dit le professeur en tendant son précieux « bijou », fait de saphir et d’aluminium.

Si ce processeur tient dans la main, il en va autrement de son boîtier situé deux étages plus bas : un tube blanc, presque aussi gros qu’un chauffe-eau, est suspendu sous une espèce d’échafaud décoré de nombreux fils et tuyaux, reliés à d’autres machines. « L’intérieur est conçu en pelures d’oignon, explique Alexandre Blais.  Chaque couche est plus froide à mesure qu’on se rapproche du cœur. Le processeur est maintenu à une température de quelques millièmes de kelvin. » Peu d’endroits dans l’Univers sont aussi froids.

On se croirait aux débuts de l’informatique, à cette époque où les machines occupaient des pièces entières. Mais ici, on planche plutôt sur l’informatique de demain. L’ordinateur quantique, lorsqu’il verra le jour, promet de résoudre en quelques secondes des calculs qui occuperaient un ordinateur classique pendant des milliers d’années.

Comme son nom l’indique, son fonctionnement repose sur les principes de la physique quantique. Ces derniers décrivent le comportement de l’infiniment petit. À cette échelle, le monde a quelque chose de magique et d’irréel. Des particules peuvent exister à deux endroits à la fois et deux particules peuvent être soudées par un lien qui les « synchronise »; les transformations subies par l’une étant ainsi immédiatement appliquées à sa « jumelle », même à l’autre bout de la galaxie.

Ce sont ces propriétés fugaces et fantomatiques de la matière que les physiciens et informaticiens tentent de harnacher. Intégrées dans les circuits d’un ordinateur, elles ne lui permettraient pas nécessairement d’accomplir de nouvelles tâches, mais plutôt de les abattre à des vitesses faramineuses. Ce ne serait rien de moins que le début d’une nouvelle ère informatique. De quoi bouleverser le domaine de l’intelligence artificielle, de même que la recherche en médecine, en gestion de trafic urbain ou en climatologie, entre autres.

Il y a 35 ans
C’est en 1981 que l’idée d’un ordinateur quantique a été formulée pour la première fois. Richard Feynman, chercheur en physique théorique au California Institute of Technology, réfléchissait alors aux façons de simuler les phénomènes physiques à l’aide d’ordinateurs. Il a conclu que seule une machine qui fonctionnerait elle-même sur la base de phénomènes quantiques permettrait de simuler correctement ces derniers. Pendant quelques années, ce concept est demeuré une vue de l’esprit.

Jusqu’à un beau jour de 1994 où Peter Shor, alors mathématicien chez Bell Laboratories, aux États-Unis, découvrit l’algorithme qui porte désormais son nom. L’algorithme de Shor, si on pouvait réussir à l’implanter dans un ordinateur quantique, factoriserait rapidement de très grands nombres. Par exemple, s’il est facile de multiplier les nombres 7, 11 et 17 pour obtenir 1 309, il est autrement plus difficile de partir de 1 309 pour trouver les nombres premiers qui l’ont produit. En fait, il n’y a pas de méthode efficace pour y arriver; il faut tester toutes les possibilités. L’ordinateur quantique, par contre, saurait très bien le faire.

Cette aptitude peut sembler anodine. Or, les données sensibles que nous nous échangeons tous les jours sur le Web sont cryptées grâce à des clés qui reposent justement sur cette difficulté à factoriser de grands nombres. Avec des nombres de 100 chiffres ou plus, il faudrait des siècles, voire des millénaires, de calcul aux ordinateurs d’aujourd’hui pour en extraire les nombres premiers. Pas pour un ordinateur quantique. Capable d’évaluer toutes les possibilités à la fois, la machine ne fera qu’une bouchée des systèmes de cryptage actuels.

C’est l’outil parfait pour trouver immédiatement des réponses dans les bases de données les plus vastes, mais aussi pour « craquer » les codes qui servent actuellement à sécuriser tous les échanges qui se font par le Web : transactions bancaires, informations médicales, courriels, stratégies militaires, etc. Selon plusieurs, l’ordinateur quantique « cassera » littéralement Internet.

Voilà une menace sérieuse à la sécurité informatique et c’est tout ce qu’il fallait pour enclencher la course à l’ordinateur quantique où les États-Unis, la Chine, l’Australie, le Royaume-Uni et le Canada jouent du coude pour se rapprocher un peu plus chaque jour de ce graal de l’informatique. Pas étonnant que des agences nationales de sécurité se soient aussi lancées dans ce domaine de recherche, ayant comme but avoué de posséder une machine fonctionnelle avant un pays ennemi. La National Security Agency américaine, par exemple, a déjà consacré plus de 100 millions de dollars à cette course.

Qu’est-ce qui rend l’ordinateur quantique si phénoménal ? Revenons à la base : un ordinateur, c’est d’abord une machine à brasser des 0 et des 1. Dans un calculateur classique, chaque transistor peut alternativement laisser passer un courant électrique (1) ou pas (0). Ces entités qui peuvent prendre deux valeurs sont appelées des bits, contraction des termes anglais binary digits, pour « chiffre binaire ».

Avec un bit, il y a deux valeurs possibles (21, soit 0 et 1); avec 2 bits, il y a quatre configurations potentielles (22, soit 0-0, 0-1, 1-0 et 1-1); avec 3 bits, on monte à 8 possibilités (23), et ainsi de suite. Le processeur d’un téléphone intelligent de dernière génération peut contenir un milliard de transistors, c’est-à-dire un milliard de bits, pour un total de configurations possibles de deux exposant un milliard, soit un nombre… inimaginable. La puissance d’un ordinateur classique dépend de la vitesse à laquelle il étudie et enchaîne successivement ces nombreuses configurations.

« En informatique quantique, concrètement, un bit quantique, ou “qubit”, stocke un 0 et un 1 en même temps; il est dans une superposition d’états », explique Alexandre Blais.

Cela suggère déjà une capacité de calcul augmentée (chaque qubit ayant deux états au lieu de un seul), mais la puissance des ordinateurs quantiques repose surtout sur leur faculté à « souder » les états de plusieurs qubits. Cela crée une superposition de toutes les combinaisons possibles d’états des qubits isolés. Des opérations différentes menées en même temps laissent entrevoir la possibilité d’un processeur parallèle extrêmement puissant. « En quantique, continue Alexandre Blais, l’augmentation de puissance est exponentielle. Un ordinateur quantique de seulement 300 qubits serait comme un ordinateur classique de 10120 bits – beaucoup plus que le nombre estimé de particules dans l’Univers. »

Un tel ordinateur pourra résoudre 2300 calculs en même temps, soit un nombre gigantesque à 91 chiffres. Deux minutes de calcul quantique équivaudront au travail d’un ordinateur classique pendant 15 milliards d’années ! De quoi donner le tournis.

Question d’années
Et c’est pour bientôt, cette super-machine, aussi fascinante qu’inquiétante ? Des physiciens parlent de 2 ans, d’autres de 15. Mais tous sont convaincus qu’on y parviendra. Une compagnie canadienne prétend, quant à elle, y être déjà arrivée, mais rien n’est moins sûr (voir l’encadré «Un ordinateur qui soulève la controverse» ci-contre).

« L’avènement de l’ordinateur quantique est inévitable, lance Claude Crépeau, ingénieur informatique à l’Université McGill, à Montréal. À force de miniaturiser les transistors des ordinateurs classiques, des effets quantiques commencent à apparaître, comme des électrons qui sautent d’un transistor à l’autre. Il vaut mieux faire de la recherche pour développer l’ordinateur quantique et le dompter avant qu’il n’arrive tout seul ! »

Alexandre Blais souligne l’ironie du sort : « C’est amusant. Pour assurer le bon fonctionnement des ordinateurs conventionnels, les compagnies comme Intel doivent éviter les effets quantiques, alors que l’ordinateur quantique en aura absolument besoin. »

Selon certains, l’arrivée de la bête serait imminente, ne serait-ce qu’en raison des fortunes consacrées à son développement et des multiples équipes de travail qui s’y dédient. Par exemple, Mike Lazaridis, l’ancien patron de BlackBerry, a investi 500 millions de dollars de sa poche dans l’Institut d’informatique quantique de l’université de Waterloo, en Ontario. Au Québec, les universités de Montréal et McGill, ainsi que la Polytechnique, ont des équipes qui se consacrent au sujet – sans compter l’Institut quantique de l’Université de Sherbrooke, plus riche de 33,5 millions de dollars, gracieuseté d’un programme fédéral.

Chacune tente de produire les fameux qubits à sa façon (voir l’encadré « Comment obtenir des qubits ? » à la page 38). « Mais le double défi de l’ordinateur quantique, c’est non seulement d’obtenir de nos qubits qu’ils atteignent un état quantique, précise Alexandre Blais, mais qu’ils le conservent assez longtemps pour réaliser l’opération qu’on leur demande. » Aussi bien faire tenir un œuf en équilibre sur la pointe d’une aiguille. Quand on y parvient, la moindre variation de température, le plus petit soubresaut de champ électromagnétique suffisent pour tout faire s’écrouler.

« C’est ce qu’on appelle la décohérence, précise Alexandre Blais, le moment où les propriétés quantiques disparaissent. » Équipé de son téléphone intelligent (classique, pas quantique), le chercheur montre une application par laquelle il envoie des requêtes de calcul à un ordinateur quantique expérimental à 5 qubits installé dans la petite ville de Yorktown Heights, dans l’État de New York. « C’est IBM qui a conçu cet ordinateur et qui le rend disponible dans le nuage informatique à quiconque veut y tester un algorithme. Je vois que, en ce moment, la décohérence survient après 120 microsecondes. Pas mal du tout ! »

Et plus il y a de qubits, plus c’est difficile. Pour l’instant, les machines expérimentales dans les instituts de recherche du monde n’ont pas plus de 10 qubits. Pas facile d’en contrôler un plus grand nombre, mais pas facile non plus de tester leurs performances et de les comparer à celles des machines classiques, avec si peu de puissance.

À l’Université de Montréal, Gilles Brassard évalue tous ces travaux avec philosophie : « L’ordinateur quantique a été inventé, mais pas construit, dit ce cryptographe au département d’informatique et de recherche opérationnelle. Il est possible que, malgré toutes les simulations théoriques, on découvre qu’il ne peut pas fonctionner. Mais on sera quand même gagnant, car il faudra expliquer pourquoi il ne marche pas. On fera alors de nouvelles découvertes fondamentales sur la physique. »

Comment obtenir des qubits ?
C’est la question que tout le monde se pose. À l’Université de Sherbrooke, l’équipe d’Alexandre Blais planche sur des « atomes artificiels », c’est-à-dire des nanostructures de supraconducteurs. Comme des atomes, ces structures retiennent des électrons dans un espace bien délimité et, dans cet espace, ces électrons occupent des niveaux d’énergie bien précis. En les stimulant avec des champs électromagnétiques, on peut leur induire un état quantique. Les électrons occupent alors deux niveaux d’énergie en même temps.

Certaines équipes utilisent plutôt des ions prisonniers dans des champs électromagnétiques dont on fait varier le niveau d’énergie par impulsions micro-ondes. D’autres jouent avec des photons dont la position, la polarisation ou même le nombre peuvent être utilisés comme qubits. Il en est encore qui utilisent des noyaux atomiques dont ils font varier le spin, cette propriété des particules (au même titre que la masse ou la charge électrique) qu’on ne retrouve que dans l’infiniment petit et qui n’a pas d’équivalent à notre échelle.

Il existe aussi des pistes plus « ésotériques », comme des hybrides atomes-lumière où des photons se retrouvent captifs dans des nanostructures. Ou encore des états (dits topologiques) qui dépendraient de l’existence de particules confinées dans seulement deux dimensions. Ces particules topologiques, grâce à leur grande imperméabilité aux bruits ambiants, feraient des qubits capables de demeurer dans un état quantique très longtemps – peut-être même à la température de la pièce ! Encore au stade théorique, cette idée a valu à ses auteurs le prix Nobel de physique 2016, remis en octobre dernier.
 
Un ordinateur qui soulève la controverse
Un joueur fait tiquer bien des chercheurs dans cette histoire d’ordinateur quantique. Il s’agit de D-Wave Systems, une compagnie canadienne basée à Burnaby, en Colombie-Britannique, qui est la seule au monde à vendre des ordinateurs dits quantiques.
Ses machines, qui comptent 500, 1 000 ou même 2 000 qubits, suscitent toutefois de très graves soupçons chez les chercheurs quant à la réelle nature quantique de leur fonctionnement. Mais ça n’empêche pas D-Wave de vendre ses engins à Google, à la NASA, à Lockheed-Martin pour la bagatelle de 10 à 15 millions de dollars pièce.

À chaque annonce d’un nouvel exploit par les ordinateurs de D-Wave, il se trouve des critiques pour affaiblir la portée des prouesses prétendues. En septembre dernier, par exemple, Google a déclaré que sa machine avait réussi à accomplir des opérations 100 millions de fois plus rapidement qu’un calculateur classique. Les sceptiques ont souligné, entre autres, qu’elle avait été comparée à un ordinateur généraliste d’entrée de gamme. Autrement dit, on a comparé des pommes avec des oranges.

Le problème, c’est qu’on ne peut pas simplement ouvrir le capot d’une telle machine pour voir si elle est bien quantique. Il faudrait idéalement que des tests indépendants puissent être effectués sur les ordinateurs D-Wave, mais la compagnie a toujours refusé d’en divulguer les détails. Un test a bien été mené en 2014 à l’École polytechnique fédérale de Zurich, en Suisse, pour comparer le temps de calcul entre un ordinateur classique et celui de D-Wave. Aucune accélération quantique n’a pu être détectée. Les responsables de l’entreprise ont rétorqué que le type de problème avait été mal choisi.


 

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