L’avenir de l’informatique quantique

Michele Mosca est chercheur associé à l’Institut Périmètre. Il a été l’un des premiers chercheurs de l’institut lors de sa création, il y a 25 ans. Il est également fondateur et ancien directeur adjoint de l’Institut d’informatique quantique de l’Université de Waterloo, où il est professeur de mathématiques.

Mosca est un pionnier de la conception d’algorithmes quantiques, s’intéressant à la fois au potentiel des ordinateurs quantiques et aux défis de sécurité qu’ils posent. La première mise en œuvre expérimentale d’un algorithme quantique sur un système physique a été réalisée en 1998 par Mosca et Jonathan A. Jones à l’Université d’Oxford. Ils ont réussi à exécuter l’algorithme de Deutsch à l’aide d’un ordinateur quantique à résonance magnétique nucléaire (RMN) à deux qubits.

En 2018, Mosca a mis au point un cadre de gestion des risques conçu pour aider les organisations à déterminer le moment elles doivent passer à un chiffrement résistant aux attaques quantiques. Mosca a également lancé plusieurs entreprises en démarrage basées sur ses recherches et dirige actuellement evolutionQ, une entreprise spécialisée dans la cybersécurité quantique.

Nous avons rencontré Mosca pour discuter de l’état actuel de l’informatique quantique, du développement des codes correcteurs d’erreurs quantiques, des menaces qui pèsent sur la sécurité nationale à l’ère de l’informatique quantique et du rôle que peut jouer l’Institut Périmètre tant dans le développement des ordinateurs quantiques que dans la garantie d’un avenir sûr face aux attaques quantiques.

« Nous pouvons utiliser les ordinateurs quantiques pour faire progresser nos travaux théoriques de grande envergure que nous menons ici, et cela crée un cercle vertueux, n’est-ce pas? À mesure que nous approfondissons notre compréhension de la physique et que nous découvrons de nouveaux phénomènes physiques, plus nous pouvons exploiter ces connaissances pour améliorer les technologies quantiques et d’autres technologies. L’Institut Périmètre a donc de nombreux rôles à jouer dans cet avenir, et tous nos collègues sont évidemment ravis d’y contribuer. »

— Michele Mosca

L’entretien suivant a été légèrement modifié pour plus de clarté et de concision :

Q : Quels progrès l’informatique quantique a-t-elle réalisés depuis que vous avez commencé vos recherches sur les algorithmes quantiques en tant qu’étudiant diplômé à l’Université d’Oxford ?

Lorsque j’ai commencé dans les années 1990, j’étais parmi les premiers sceptiques quant à l’informatique quantique, car il ne semblait tout simplement pas possible de corriger les erreurs, compte tenu de la fragilité inhérente d’un système quantique.

Mais en 1996, des chercheurs (dont Peter Shor et A. Robert Calderbank, ainsi qu’Andrew Steane, indépendamment) ont découvert qu’il était possible d’écrire des codes de correction d’erreurs quantiques pour pallier cette fragilité. L’informatique quantique est passée d’impossible à quasi impossible, ce qui constituait un bond conceptuel majeur. C’est à ce moment-là que j’ai rejoint ce domaine. J’ai compris que nous finirions par combler cet écart et par exploiter des systèmes quantiques plus bruyants en les rendant moins bruyants.

C’était il y a trente ans. Depuis lors, les frontières entre ce dont nous avons besoin et ce dont nous disposons se sont estompées. Nous avons validé cette hypothèse initiale, qui semblait audacieuse en 1996. Nous savons désormais que nous pouvons pratiquer l’informatique avec des systèmes beaucoup plus bruyants et un niveau de contrôle moindre que ce que nous pensions nécessaire dans les années 1990. 

Nous sommes entrés dans une toute nouvelle ère de l’informatique quantique, et la question est de savoir quelle plateforme, quelles méthodes seront utilisées et à quelle vitesse cela évoluera.

Q : Quand prévoyez-vous que nous disposerons d’ordinateurs quantiques opérationnels capables de résoudre des problèmes concrets que les ordinateurs actuels ne peuvent pas résoudre?

J’essaie d’éviter de donner une date, car personne ne peut vraiment le dire. Mais il existe une probabilité, peut-être de 20 %, qu’il y ait un impact économique significatif – c’est-à-dire des cas d’utilisation et des applications concrètes – d’ici cinq ans. Certains collègues plus expérimentés estiment cette probabilité à 50 %. Je dirais quant à moi que cette probabilité dépasse les 50 % d’ici dix ans.

Mais cela ne change pas fondamentalement ce que nous devons faire dès maintenant. . Il s’agit d’un horizon de quelques années à partir duquel nous pourrions constater un impact significatif. Nous devons donc être prêts à tirer parti des avantages tout en nous prémunissant contre une éventuelle utilisation de ces capacités à des fins malveillantes.

Q : Parlons des avantages. Quelles sont les applications potentielles de l’informatique quantique?

Nous commençons tout juste à nous pencher sur cette question. C’est un peu comme si, avant l’arrivée d’Internet, on se demandait à quoi cela pourrait bien servir. Même lorsque nous l’avons eu, dans les années 1990, nous ne le savions pas vraiment. Les prédictions de l’époque ne reflétaient pas vraiment toutes les utilisations que nous en faisons aujourd’hui.

Néanmoins, nous sommes optimistes quant aux applications que les ordinateurs quantiques trouveront dans la simulation de systèmes quantiques. Il s’agira, par exemple, de simuler de nouveaux matériaux ou les propriétés des molécules. Ces propriétés de mécanique quantique sont difficiles à simuler avec les ressources informatiques dont nous disposons aujourd’hui, mais ces problèmes sont parfaitement adaptés aux ordinateurs quantiques. Nous pouvons donc envisager de concevoir de nouveaux matériaux, molécules ou procédés pour nous aider à capter, transporter et stocker l’énergie, ou encore à trouver des moyens plus efficaces de produire des engrais. Ce sont là des problématiques que l’on explore déjà activement et que l’on pourra approfondir encore davantage une fois que nous disposerons d’un nombre suffisant de bits quantiques stabilisés.

Q : Mais le développement d’un ordinateur quantique stable présente des défis. On entend beaucoup parler du problème du « bruit » qui génère des erreurs en informatique quantique. Pouvez-vous nous expliquer en quoi consiste ce problème « bruit » et comment on peut l’atténuer?

Le problème du bruit pour les ordinateurs quantiques est en réalité le même que celui que nous rencontrons dans les communications classiques. Si nous nous trouvons dans un environnement bruyant, ou si nous parlons à distance, il se peut que nous ne puissions pas nous entendre. Vous pourriez donc me demander de répéter ce que j’ai dit. En quelque sorte, vous utilisez la répétition ou la redondance pour corriger ce problème. Même lorsque nous parlons, si je m’exprime mal ou si je ne prononce pas correctement un mot, le cerveau, consciemment ou inconsciemment, réagit. Il décidera (en se basant sur les informations passées dont il dispose) : « De toute évidence, il voulait dire cela.»

Une discipline à part entière, que l’on appelle correction d’erreurs, a été développée au fil de nombreuses décennies pour gérer le bruit dans les ordinateurs classiques. Elle consiste à identifier les erreurs probables et à introduire une certaine redondance, ou répétition. Ce n’est jamais parfait, mais il est possible de reconstituer la communication si l’on comprend quelles erreurs sont survenues et si l’on corrige celles-ci.

Avec la communication quantique, le défi réside dans le fait qu’on ne peut pas vraiment utiliser les mêmes méthodes que celles employées avec les ordinateurs classiques, car les lois de la physique stipulent qu’il est impossible de copier des états quantiques. Lorsqu’on observe un état quantique, on détruit sa nature quantique. Les anciennes méthodes de correction d’erreurs classiques ne peuvent donc pas fonctionner, n’est-ce pas? Sauf que nous avons découvert qu’il est possible d’y parvenir en procédant de manière très délibérée.

C’est là une partie du secret. Il faut interagir avec le système de façon très délibérée, en se concentrant uniquement sur l’erreur qui s’est produite et en évitant toute autre information. Au cours des 30 dernières années, nous avons mis au point des technologies et des algorithmes (codes de correction d’erreurs quantiques) permettant d’analyser les états afin e déterminer quelle erreur s’est produite, puis de corriger cette erreur sans en apprendre davantage sur l’état quantique. C’est un domaine vraiment fascinant, qui est déjà passé du stade théorique à celui de la mise en œuvre sur des plateformes commerciales.

Q : Parlons des dangers. Les ordinateurs quantiques opérationnels pourraient-ils briser la cryptographie que nous utilisons aujourd’hui sur Internet? Cela peut-il constituer une menace pour la sécurité nationale?

Comme pour toute nouvelle capacité, les adversaires tenteront de l’utiliser à leur avantage. C’est un outil pour nous, mais pour eux, il peut devenir une arme pour compromettre leurs adversaires. C’est l’une des raisons pour lesquelles l’informatique quantique a suscité un vif intérêt dès ses débuts, lorsque Peter Shor a compris que les ordinateurs quantiques pouvaient briser certains des codes de chiffrement fondamentaux que nous utilisons pour protéger Internet et les autres réseaux de télécommunications mondiaux – ce qu’on appelle la cryptographie à clé publique.

Depuis des siècles, voire des millénaires, les humains utilisent la cryptographie plus ou moins de la même manière pour transmettre des secrets partagés. Si nous voulons partager un secret, nous échangeons une clé secrète au préalable.

Avec l’avènement d’Internet, la cryptographie à clé publique est devenue la méthode la plus pratique pour sécuriser des milliards de terminaux à travers le monde. Elle nous a offert un moyen automatisé de vérifier l’identifié de notre interlocuteur, afin de garantir que nous sommes bien les auteurs des messages, et également un moyen d’extraire une clé secrète. La cryptographie à clé publique a permis la croissance économique des 30 dernières années, car elle a transformé Internet en un système fiable, ou du moins relativement fiable, comparé à ce qu’il aurait été sans cryptographie. Elle nous a permis d’y parvenir à un coût bien moindre, avec une évolutivité bien supérieure aux méthodes traditionnelles.

Mais au moment même où nous commencions à utiliser la cryptographie à clé publique, Peter Shor a démontré que les ordinateurs quantiques pourraient contourner les méthodes déployées pour mettre en œuvre cette cryptographie. C’est à ce moment-là que nous avons réalisé : « Cela prendra du temps de régler ce problème, nous devons donc prendre les devants.  »

Aujourd’hui, d’ici quelques années seulement, il est fort probable que des ordinateurs quantiques capables de réaliser des opérations cryptographiques pertinentes puissent compromettre ces codes et causer toutes sortes de dommages potentiels à l’économie numérique et aux individus.

Cependant, nous avons accompli un travail considérable, même si nous y avons été contraints à contrecœur et malgré les forces du marché, pour créer des codes cryptographiques classiques capables de résister aux attaques quantiques.

Il reste encore beaucoup à faire. Nous ne sommes pas encore sortis d’affaire en ce qui concerne l’atténuation des menaces connues. Mais l’important est que cette crise ait mis en lumière la fragilité de l’économie numérique. Cela nous donne l’occasion d’y remédier, de la rendre plus résiliente, tant qu’il est encore temps.

Q : Le Canada est-il préparé à cet avenir? Nos gouvernements et nos entreprises sont-ils prêts?

Le Canada a joué un rôle de chef de file mondial pour cerner le problème, élaborer des solutions et coordonner les efforts avec la communauté internationale. Nous sommes reconnus mondialement pour notre compréhension de ce problème et notre capacité à proposer des solutions, et nous bénéficions du soutien du gouvernement, notamment par l’entremise du Forum canadien sur la résilience des infrastructures numériques. Je préside le Groupe de travail sur la préparation à l’ère quantique, qui a élaboré des pratiques exemplaires de classe mondiale pour se préparer à cet avenir.

Notre taux d’adoption n’est probablement pas le meilleur. Il se situe plutôt dans la moyenne. Je dirais que nous ne sommes pas très en retard, mais que nous ne sommes pas non plus très en avance. Nous avons l’occasion d’accélérer ce processus en adoptant ces pratiques exemplaires et en déployant les solutions. Le Canada a encore la possibilité de devenir un chef de file dans la protection de ses infrastructures essentielles contre les menaces quantiques connues et les surprises inattendues qui émergeront à l’avenir.

Nos stratégies nationales et de défense envoient des signaux forts. Les Canadiens, tant dans le milieu universitaire que dans l’industrie, sont prêts à s’investir et à permettre au Canada d’être parfaitement préparé à l’ère quantique, en tirant parti des capacités quantiques, en se protégeant contre les attaques quantiques et en exportant ces solutions à l’échelle mondiale. Nous sommes tout à fait disposés à collaborer avec les chefs de file gouvernementaux et industriels pour y parvenir.

Q : Parallèlement à l’informatique quantique, nous entrons également dans l’ère de l’intelligence artificielle (IA). Comment ces technologies, pourtant différentes, vont-elles interagir et façonner l’avenir?

Nous sommes fiers du rôle joué par Canada dans le domaine de l’IA. Il s’agit d’une autre technologie et d’une capacité d’envergure mondiale dans lesquels nous avons joué un rôle particulièrement important. Nous sommes fiers de tous nos collègues qui ont rendu cela possible.

La façon dont l’informatique quantique et l’IA vont interagir est parfois simplifiée à l’extrême, mais une tendance se dégage clairement. L’IA nous aide assurément à concevoir de nouvelles technologies quantiques, tant au niveau matériel que des techniques logicielles, et elle nous permettra de trouver des applications concrètes. Il s’agit donc sans aucun doute d’un formidable accélérateur de la création de valeur grâce à la technologie quantique à de nombreux niveaux différents. Nous devons l’intégrer pleinement, et nous le faisons.

L’inverse (comment les ordinateurs quantiques contribuent au développement de nouvelles IA) est moins évident, mais l’IA représente l’une des nombreuses applications potentielles où une transformation positive est possible. Les algorithmes quantiques pourraient potentiellement enrichir les mécanismes et les capacités fondamentales de l’IA. Parfois, les gens confondent les deux et pensent que l’arrivée de l’informatique quantique dans l’IA donnera naissance à une IA surpuissante. Nous ne le savons pas encore, mais c’est un cas d’utilisation potentiel, mais c’est une application possible, et quel meilleur endroit que le Canada pour explorer cette piste?

Il peut y avoir une interaction très riche entre ces deux domaines. Ce n’est pas symétrique, certes, mais le fait que le Canada soit un chef de file mondial dans ces deux secteurs représente une formidable opportunité. Je sais que mes collègues du domaine de l’IA et ceux de l’informatique quantique seraient ravis de saisir cette opportunité ensemble.

Q : Quel rôle voyez-vous pour l’Institut Périmètre dans tout cela? Quelle place occupons-nous dans l’avenir de l’informatique quantique?

L’Institut Périmètre joue un rôle essentiel à plusieurs niveaux.

Les travaux scientifiques que nous menons à l’Institut Périmètre ont largement contribué à amener l’informatique quantique au stade où elle en est aujourd’hui.

Les avancées fondamentales en physique permettent d’améliorer l’efficacité des plateformes d’informatique quantique ou contribuer à la découverte de nouvelles plateformes. Il y a toujours une amélioration continue à partir des fondements. Vous souvenez-vous des ordinateurs électromécaniques d’il y a plusieurs décennies? Eh bien, nous n’avons jamais cessé d’innover : nous sommes passés des tubes à vide et des transistors aux ordinateurs actuels. Il en sera de même pour toutes les technologies quantiques. Les avancées fondamentales en physique, dans le domaine des matériaux et des algorithmes, continueront d’alimenter ce processus, et l’Institut Périmètre y joue un rôle essentiel.

L’Institut Périmètre a également joué un rôle crucial dans la communication de ces technologies à un large public, lui permettant ainsi de les comprendre et de prendre des décisions éclairées en matière de politiques et d’investissements.

Nous jouons également un rôle important dans la formation de la prochaine génération de scientifiques. Certains se tournent vers l’industrie, d’autres restent dans la recherche. Ceux qui travaillent dans l’industrie transforment également les connaissances acquises en création de valeur concrète.

Un autre domaine où l’Institut Périmètre continuera de jouer un rôle important est l’utilisation d’ordinateurs pour valider les hypothèses. Bon nombre des hypothèses passionnantes que nous formulons à l’Institut Périmètre peuvent être testées beaucoup plus efficacement grâce à un ordinateur quantique.

Nous pouvons utiliser les ordinateurs quantiques pour faire progresser les excellents travaux théoriques que nous menons ici, t cela crée un cercle vertueux, n’est-ce pas? À mesure que nous approfondissons notre compréhension de la physique – et que découvrons de nouveaux phénomènes physiques, cela potentiellement être mis à profit pour améliorer les technologies quantiques et d’autres technologies. l’Institut Périmètre a donc de multiples rôles à jouer dans l’avenir, et bien sûr, tous nos collègues sont enthousiastes à l’idée d’y contribuer.

Q : Comment voyez-vous l’avenir de l’informatique quantique?

Nous pouvons façonner l’avenir de l’informatique quantique.

Les sociétés du monde entier doivent contribuer à façonner cette technologie et ne pas se contenter d’être de simples spectateurs impuissants. Le développement de cette technologie exige un travail considérable de la part de nombreux intervenants, notamment les scientifiques et les chercheurs, mais aussi l’industrie et les décideurs politiques.

Il est également essentiel de veiller à ce qu’elle soit utilisée de manière productive pour le bien de l’humanité. Ainsi, les différents modèles d’affaires et les considérations géopolitiques sont entre les mains des acteurs du monde entier, qui devront prendre des décisions éclairées pour améliorer véritablement la condition humaine. Nous pouvons mobiliser les ressources nécessaires et mettre en place les récompenses et les incitations adéquates pour que chacun puisse jouer son rôle.

C’est une période passionnante pour travailler dans ce domaine, et il reste beaucoup à faire, tant sur le plan technologique que sur celui des politiques et de la commercialisation.

Je suis plutôt optimiste. Je sais qu’il y a de nombreux défis à relever, mais je pense que beaucoup de gens à travers le monde sont enthousiasmés par le potentiel de création de valeur et souhaitent le mettre à profit pour bâtir un monde meilleur pour l’humanité.

Voici le deuxième volet d’une série consacrée à l’avenir de la physique. Lisez la première partie ici et restez connectés pour la suite!