Reportages
Le futur est quantique
Pour asservir les atomes, les chercheurs planchent sur une machine d’une puissance inégalée: l’ordinateur quantique.
par Binh An Vu Van
Quand il a entendu parler des ordinateurs quantiques, Raymond Laflamme s’est d’abord employé à démontrer qu’ils n’existeraient jamais, le monde quantique étant trop incontrôlable. Aujourd’hui, le physicien québécois dirige, à Waterloo, l’Institute for Quantum Computing (IQC), l’un des plus importants centres de recherche en informatique quantique du monde.
Avec d’autres scientifiques parmi les plus brillants de notre temps, il s’est lancé dans une course effrénée: construire une machine qui tirerait sa puissance des propriétés des atomes et des molécules. “La mécanique quantique permet une nouvelle théorie informatique. Certains problèmes mathématiques complexes absolument insolubles avec des ordinateurs classiques deviendraient abordables grâce aux ordinateurs quantiques”, explique Raymond Laflamme qui a fait ses classes auprès du grand physicien Stephen Hawking.
À la base du traitement de l’information dans un ordinateur classique, les transistors agissent comme des interrupteurs qui laissent passer le courant ou le bloquent. Pour cette raison, toute opération et toute information, qu’il s’agisse d’un fichier MP3 ou des recettes de grand-mère, se réduisent à des 1 et à des 0. Dans le langage des machines, on parle de bits d’information.
Mais, selon les lois de la physique quantique, les particules peuvent se retrouver dans deux états à la fois; un peu comme le chat de Schrödinger (voir l’encadré). Ainsi, les équivalents des bits dans les ordinateurs quantiques, les “qubits”, peuvent être à la fois 0 et 1. De ce fait, si deux bits peuvent exprimer les valeurs 00, 01, 10 ou 11, deux qubits pourraient prendre ces quatre valeurs en même temps. Et cette puissance est exponentielle, à mesure que l’on augmente le nombre de qubits.
Pour concevoir des logiciels efficaces sur les ordinateurs quantiques, il faut donc jongler parallèlement avec les multiples valeurs des qubits. Un exercice de haute voltige!
Toutefois, les qubits souffrent d’une grande timidité. Ils ne supportent pas qu’on les observe. En termes plus scientifiques, dès qu’on tente de mesurer la valeur d’un qubit, il redevient un simple bit. Ainsi, même si l’information est traitée en quantités phénoménales, à la fin des calculs, on recueille autant d’informations que ce que fourniraient des bits classiques.
À cause de ces contraintes extrêmes, la recherche sur l’ordinateur quantique est longtemps restée le terrain de jeu exclusif de quelques théoriciens. En 1994, l’informaticien états-unien Peter Shor change complètement la donne. Il réussit à mettre au point une théorie permettant de factoriser très rapidement de grands nombres en nombres premiers. Jusque-là, la chose était pratiquement impossible, ce qui garantissait la sûreté des systèmes les plus utilisés dans les communications modernes; entre autres choses, la confidentialité des transactions bancaires ou des échanges sur Internet.
Tant que la puissance des ordinateurs demeure limitée, la théorie de Peter Shor est impossible à mettre en pratique. Mais si on réussit à bâtir un ordinateur quantique, toutes les barrières de sécurité risquent de tomber. Autant dire qu’il vaut mieux que des chercheurs sérieux s’attèlent à la tâche avant que la technologie tombe entre les mains de personnes moins bien intentionnées. Pas étonnant que, depuis cette annonce de Shor, les financements pour la recherche sur l’ordinateur quantique se soient multipliés.
Le Canada est un concurrent de taille dans la course. Il compte une grande concentration de pionniers dans le domaine et mise près de 17 millions $ par année sur cette technologie.
Mais à quoi serviraient ces ordinateurs ultra-raffinés? Sans doute jamais au traitement de texte. Ils seront par contre d’une aide précieuse pour simuler des modèles quantiques, des modèles physiques complexes ou pour effectuer des recherches rapides dans des bases de données.
Selon Raymond Laflamme, le champ d’action de cette machine de demain risque même d’être beaucoup plus vaste, mais on n’est pas encore en mesure de le cerner correctement. Tout comme les chercheurs des années 1950 étaient incapables d’imaginer que l’ENIAC – le premier de tous les ordinateurs électroniques – donnerait naissance aux chefs-d’œuvre de miniaturisation et de puissance que l’on connaît aujourd’hui. À cette époque, le magazine Popular Mechanics annonçait: “Le calculateur ENIAC est équipé de 18 000 tubes à vide et pèse 30 tonnes. Éventuellement, les ordinateurs pourraient compter seulement 1 000 tubes à vide et peser 1,5 tonne.”
Une prédiction pour l’ordinateur quantique de demain? “Les gens vont rire de moi, dit Raymond Laflamme, mais je pense que, dans le futur, vous n’aurez pas à vous déplacer pour venir me voir. Il y aura assez de senseurs partout et des ordinateurs suffisamment puissants pour que je puisse vous toucher, vous sentir, vous voir, vous entendre même à des milliers de kilomètres, un peu comme dans le film La matrice.”
Avant d’en arriver là, les scientifiques ont du pain sur la planche. En effet, construire un ordinateur quantique ne se réduit pas à une affaire de vis et de boulons. “Les physiciens réfléchissent sur ce que les choses sont, puis pensent aux applications; les spécialistes de l’informatique quantique réfléchissent d’abord à ce que les choses peuvent faire et ensuite cherchent ce qu’elles pourraient être.” Ainsi, on ne sait toujours pas de quoi seront constitués les qubits. Ions, électrons, photons, atomes; cela pourrait être à peu près n’importe quoi d’assez petit pour se conformer aux lois quantiques.
Autre problème de taille à régler: la disparition des effets quantiques. Ce phénomène, dit de “décohérence”, cauchemar des bâtisseurs d’ordinateurs, est dû à la “timidité maladive” des propriétés quantiques et explique qu’à notre échelle, leurs effets sont imperceptibles. La moindre interaction avec l’environnement altère les superpositions d’états, introduit des erreurs dans les manipulations et fait s’évanouir les phénoménales possibilités de calcul.
Les candidats qubits sélectionnés seront donc ceux que l’on isolera parfaitement de l’environnement et qui pourront en même temps être manipulés pour le traitement de l’information. Deux exigences difficiles à concilier. “Si on n’arrive pas à maîtriser les erreurs, la puissance ne sert à rien”, explique Raymond Laflamme dont les travaux dans le domaine ont constitué un véritable point tournant. En 1998, il a en effet proposé la théorie d’un système de correction d’erreurs. Et en novembre dernier, il présentait dans la revue Nature une approche permettant enfin de passer de la théorie à la pratique. La méthode exposée donne aux qubits une valeur prédéterminée indépendamment de leur nature. Disposer de qubits dont on connaît la valeur avec certitude est indispensable en informatique quantique, puisqu’il est impossible de “regarder” ces qubits en cours de calcul sous peine de détruire leurs propriétés quantiques. Mine de rien, un pas immense vient d’être franchi. “Cette percée démontre que l’on commence à naviguer plus confortablement dans le monde quantique. Elle confirme notre capacité à contrôler les qubits avec plus de précisions”, explique Raymond Laflamme.
Les chercheurs ont déjà commencé à assembler des prototypes d’ordinateurs quantiques à petite échelle. L’équipe du physicien vient d’ailleurs de fracasser le record du nombre de qubits assemblés, le faisant passer de 7 à 12. Pour mettre au point cet ordinateur à 12 qubits, comme pour la plupart de ceux qu’on a assemblés jusqu’à maintenant, on a utilisé la résonance magnétique nucléaire (RMN), une technique employée en imagerie médicale.
Les qubits RMN sont des noyaux d’atomes de carbone 13 ou d’hydrogène. Soumis à un puissant champ magnétique, ils se comportent comme de petits aimants: ils s’alignent dans le sens du champ magnétique ou contre celui-ci pour prendre les valeurs 1 ou 0, ou les deux à la fois. Reste à savoir maintenant si ces techniques tiendront la route lorsque viendra le temps de bâtir des systèmes comportant plusieurs centaines de qubits. Déjà, ces petits ordinateurs permettent des calculs simples, des recherches dans des bases de données, des modélisations sommaires de systèmes physiques.
Raymond Laflamme, lui, reste bien modeste devant l’infiniment complexe: “Peut-être essayons-nous trop de transposer ce que l’on connaît du monde classique et que, pour tirer profit de la mécanique quantique, une simple adaptation ne suffit pas. Ce sera peut-être la génération suivante qui réussira à utiliser cette force de la nature, en partie parce que notre intuition de la mécanique quantique n’est pas assez développée.” Tout comme nos grands-parents ne savent pas toujours quoi faire avec un ordinateur, tandis qu’un enfant de six ans est capable de s’en servir avec facilité. Il est vrai qu’il est ardu d’imaginer un monde où les choses peuvent être dans deux états à la fois, ou même à deux endroits différents en même temps.
Pour Raymond Laflamme, la recherche en informatique quantique permettra justement d’intégrer ces effets surprenants dans notre vie quotidienne... et peut-être – qui sait? – de les rendre familières. Il en est convaincu: “Le XXIe siècle sera l’âge du quantique.”
Le chat de Schrödinger
Prix Nobel 1933 pour sa contribution aux fondements de la mécanique quantique, le physicien autrichien Erwin Schrödinger est à l’origine de la célèbre illustration d’un des paradoxes du monde quantique. Imaginons un chat enfermé dans une boîte contenant une capsule de poison. Si celle-ci à une chance sur deux de se briser, le chat a également une chance sur deux de mourir. Si, toutefois, il s’agissait d’un chat quantique, celui-ci serait plutôt à la fois mort et vif. Son état de santé se déciderait seulement au moment où quelqu’un ouvrirait la boîte et y jetterait un coup d’œil.
Einstein contre la mécanique quantique
Albert Einstein et ses deux collègues physiciens, le russe Boris Podolsky et l’Israélien Nathan Rosen, étaient convaincus de l’inexactitude de la mécanique quantique. En 1935, ils publient ce qu’ils pensent être un argument imparable: si la mécanique quantique était juste, on devrait observer un phénomène absolument impossible appelé “intrication”. Ce phénomène, qu’Einstein qualifiait d’“action à distance bizarre” ou spooky action at a distance rend possible la production de paires de particules quantiques intriquées se trouvant dans des états complémentaires. Ainsi, observer une seule de ces particules affecte immédiatement l’état de sa “sœur”, peu importe la distance séparant les deux, même si l’une est sur la planète Mars et l’autre, sur Terre. Ironiquement, en voulant développer un argument discréditant la mécanique quantique, Einstein et ses collègues ont découvert le phénomène physique aujourd’hui à la base de l’ordinateur quantique, car ce lien entre les particules est devenu le fondement des interactions entre qubits.
par Binh An Vu Van
Quand il a entendu parler des ordinateurs quantiques, Raymond Laflamme s’est d’abord employé à démontrer qu’ils n’existeraient jamais, le monde quantique étant trop incontrôlable. Aujourd’hui, le physicien québécois dirige, à Waterloo, l’Institute for Quantum Computing (IQC), l’un des plus importants centres de recherche en informatique quantique du monde.
Avec d’autres scientifiques parmi les plus brillants de notre temps, il s’est lancé dans une course effrénée: construire une machine qui tirerait sa puissance des propriétés des atomes et des molécules. “La mécanique quantique permet une nouvelle théorie informatique. Certains problèmes mathématiques complexes absolument insolubles avec des ordinateurs classiques deviendraient abordables grâce aux ordinateurs quantiques”, explique Raymond Laflamme qui a fait ses classes auprès du grand physicien Stephen Hawking.
À la base du traitement de l’information dans un ordinateur classique, les transistors agissent comme des interrupteurs qui laissent passer le courant ou le bloquent. Pour cette raison, toute opération et toute information, qu’il s’agisse d’un fichier MP3 ou des recettes de grand-mère, se réduisent à des 1 et à des 0. Dans le langage des machines, on parle de bits d’information.
Mais, selon les lois de la physique quantique, les particules peuvent se retrouver dans deux états à la fois; un peu comme le chat de Schrödinger (voir l’encadré). Ainsi, les équivalents des bits dans les ordinateurs quantiques, les “qubits”, peuvent être à la fois 0 et 1. De ce fait, si deux bits peuvent exprimer les valeurs 00, 01, 10 ou 11, deux qubits pourraient prendre ces quatre valeurs en même temps. Et cette puissance est exponentielle, à mesure que l’on augmente le nombre de qubits.
Pour concevoir des logiciels efficaces sur les ordinateurs quantiques, il faut donc jongler parallèlement avec les multiples valeurs des qubits. Un exercice de haute voltige!
Toutefois, les qubits souffrent d’une grande timidité. Ils ne supportent pas qu’on les observe. En termes plus scientifiques, dès qu’on tente de mesurer la valeur d’un qubit, il redevient un simple bit. Ainsi, même si l’information est traitée en quantités phénoménales, à la fin des calculs, on recueille autant d’informations que ce que fourniraient des bits classiques.
À cause de ces contraintes extrêmes, la recherche sur l’ordinateur quantique est longtemps restée le terrain de jeu exclusif de quelques théoriciens. En 1994, l’informaticien états-unien Peter Shor change complètement la donne. Il réussit à mettre au point une théorie permettant de factoriser très rapidement de grands nombres en nombres premiers. Jusque-là, la chose était pratiquement impossible, ce qui garantissait la sûreté des systèmes les plus utilisés dans les communications modernes; entre autres choses, la confidentialité des transactions bancaires ou des échanges sur Internet.
Tant que la puissance des ordinateurs demeure limitée, la théorie de Peter Shor est impossible à mettre en pratique. Mais si on réussit à bâtir un ordinateur quantique, toutes les barrières de sécurité risquent de tomber. Autant dire qu’il vaut mieux que des chercheurs sérieux s’attèlent à la tâche avant que la technologie tombe entre les mains de personnes moins bien intentionnées. Pas étonnant que, depuis cette annonce de Shor, les financements pour la recherche sur l’ordinateur quantique se soient multipliés.
Le Canada est un concurrent de taille dans la course. Il compte une grande concentration de pionniers dans le domaine et mise près de 17 millions $ par année sur cette technologie.
Mais à quoi serviraient ces ordinateurs ultra-raffinés? Sans doute jamais au traitement de texte. Ils seront par contre d’une aide précieuse pour simuler des modèles quantiques, des modèles physiques complexes ou pour effectuer des recherches rapides dans des bases de données.
Selon Raymond Laflamme, le champ d’action de cette machine de demain risque même d’être beaucoup plus vaste, mais on n’est pas encore en mesure de le cerner correctement. Tout comme les chercheurs des années 1950 étaient incapables d’imaginer que l’ENIAC – le premier de tous les ordinateurs électroniques – donnerait naissance aux chefs-d’œuvre de miniaturisation et de puissance que l’on connaît aujourd’hui. À cette époque, le magazine Popular Mechanics annonçait: “Le calculateur ENIAC est équipé de 18 000 tubes à vide et pèse 30 tonnes. Éventuellement, les ordinateurs pourraient compter seulement 1 000 tubes à vide et peser 1,5 tonne.”
Une prédiction pour l’ordinateur quantique de demain? “Les gens vont rire de moi, dit Raymond Laflamme, mais je pense que, dans le futur, vous n’aurez pas à vous déplacer pour venir me voir. Il y aura assez de senseurs partout et des ordinateurs suffisamment puissants pour que je puisse vous toucher, vous sentir, vous voir, vous entendre même à des milliers de kilomètres, un peu comme dans le film La matrice.”
Avant d’en arriver là, les scientifiques ont du pain sur la planche. En effet, construire un ordinateur quantique ne se réduit pas à une affaire de vis et de boulons. “Les physiciens réfléchissent sur ce que les choses sont, puis pensent aux applications; les spécialistes de l’informatique quantique réfléchissent d’abord à ce que les choses peuvent faire et ensuite cherchent ce qu’elles pourraient être.” Ainsi, on ne sait toujours pas de quoi seront constitués les qubits. Ions, électrons, photons, atomes; cela pourrait être à peu près n’importe quoi d’assez petit pour se conformer aux lois quantiques.
Autre problème de taille à régler: la disparition des effets quantiques. Ce phénomène, dit de “décohérence”, cauchemar des bâtisseurs d’ordinateurs, est dû à la “timidité maladive” des propriétés quantiques et explique qu’à notre échelle, leurs effets sont imperceptibles. La moindre interaction avec l’environnement altère les superpositions d’états, introduit des erreurs dans les manipulations et fait s’évanouir les phénoménales possibilités de calcul.
Les candidats qubits sélectionnés seront donc ceux que l’on isolera parfaitement de l’environnement et qui pourront en même temps être manipulés pour le traitement de l’information. Deux exigences difficiles à concilier. “Si on n’arrive pas à maîtriser les erreurs, la puissance ne sert à rien”, explique Raymond Laflamme dont les travaux dans le domaine ont constitué un véritable point tournant. En 1998, il a en effet proposé la théorie d’un système de correction d’erreurs. Et en novembre dernier, il présentait dans la revue Nature une approche permettant enfin de passer de la théorie à la pratique. La méthode exposée donne aux qubits une valeur prédéterminée indépendamment de leur nature. Disposer de qubits dont on connaît la valeur avec certitude est indispensable en informatique quantique, puisqu’il est impossible de “regarder” ces qubits en cours de calcul sous peine de détruire leurs propriétés quantiques. Mine de rien, un pas immense vient d’être franchi. “Cette percée démontre que l’on commence à naviguer plus confortablement dans le monde quantique. Elle confirme notre capacité à contrôler les qubits avec plus de précisions”, explique Raymond Laflamme.
Les chercheurs ont déjà commencé à assembler des prototypes d’ordinateurs quantiques à petite échelle. L’équipe du physicien vient d’ailleurs de fracasser le record du nombre de qubits assemblés, le faisant passer de 7 à 12. Pour mettre au point cet ordinateur à 12 qubits, comme pour la plupart de ceux qu’on a assemblés jusqu’à maintenant, on a utilisé la résonance magnétique nucléaire (RMN), une technique employée en imagerie médicale.
Les qubits RMN sont des noyaux d’atomes de carbone 13 ou d’hydrogène. Soumis à un puissant champ magnétique, ils se comportent comme de petits aimants: ils s’alignent dans le sens du champ magnétique ou contre celui-ci pour prendre les valeurs 1 ou 0, ou les deux à la fois. Reste à savoir maintenant si ces techniques tiendront la route lorsque viendra le temps de bâtir des systèmes comportant plusieurs centaines de qubits. Déjà, ces petits ordinateurs permettent des calculs simples, des recherches dans des bases de données, des modélisations sommaires de systèmes physiques.
Raymond Laflamme, lui, reste bien modeste devant l’infiniment complexe: “Peut-être essayons-nous trop de transposer ce que l’on connaît du monde classique et que, pour tirer profit de la mécanique quantique, une simple adaptation ne suffit pas. Ce sera peut-être la génération suivante qui réussira à utiliser cette force de la nature, en partie parce que notre intuition de la mécanique quantique n’est pas assez développée.” Tout comme nos grands-parents ne savent pas toujours quoi faire avec un ordinateur, tandis qu’un enfant de six ans est capable de s’en servir avec facilité. Il est vrai qu’il est ardu d’imaginer un monde où les choses peuvent être dans deux états à la fois, ou même à deux endroits différents en même temps.
Pour Raymond Laflamme, la recherche en informatique quantique permettra justement d’intégrer ces effets surprenants dans notre vie quotidienne... et peut-être – qui sait? – de les rendre familières. Il en est convaincu: “Le XXIe siècle sera l’âge du quantique.”
Le chat de Schrödinger
Prix Nobel 1933 pour sa contribution aux fondements de la mécanique quantique, le physicien autrichien Erwin Schrödinger est à l’origine de la célèbre illustration d’un des paradoxes du monde quantique. Imaginons un chat enfermé dans une boîte contenant une capsule de poison. Si celle-ci à une chance sur deux de se briser, le chat a également une chance sur deux de mourir. Si, toutefois, il s’agissait d’un chat quantique, celui-ci serait plutôt à la fois mort et vif. Son état de santé se déciderait seulement au moment où quelqu’un ouvrirait la boîte et y jetterait un coup d’œil.
Einstein contre la mécanique quantique
Albert Einstein et ses deux collègues physiciens, le russe Boris Podolsky et l’Israélien Nathan Rosen, étaient convaincus de l’inexactitude de la mécanique quantique. En 1935, ils publient ce qu’ils pensent être un argument imparable: si la mécanique quantique était juste, on devrait observer un phénomène absolument impossible appelé “intrication”. Ce phénomène, qu’Einstein qualifiait d’“action à distance bizarre” ou spooky action at a distance rend possible la production de paires de particules quantiques intriquées se trouvant dans des états complémentaires. Ainsi, observer une seule de ces particules affecte immédiatement l’état de sa “sœur”, peu importe la distance séparant les deux, même si l’une est sur la planète Mars et l’autre, sur Terre. Ironiquement, en voulant développer un argument discréditant la mécanique quantique, Einstein et ses collègues ont découvert le phénomène physique aujourd’hui à la base de l’ordinateur quantique, car ce lien entre les particules est devenu le fondement des interactions entre qubits.