Selon de nombreux experts, un ordinateur quantique fonctionnel pourrait devenir réalité au cours de la prochaine décennie. Mais une fois qu’il existera, que pourrons-nous faire avec lui?
« Nous commençons tout juste à nous attaquer à cette question », a déclaré Michele Mosca, pionnier de la conception d’algorithmes quantiques à l’Institut Périmètre et à l’Institute for Quantum Computing, plus tôt cet été. « C’est un peu comme essayer de se demander, avant l’arrivée d’Internet, à quoi Internet pourrait servir. Même lorsqu’Internet est arrivé dans les années 1990, nous ne le savions pas vraiment. Les prédictions de l’époque ne reflétaient pas réellement tous les usages que nous en faisons aujourd’hui. »
Cela ne signifie toutefois pas que les théoriciens ne peuvent pas commencer à chercher des applications dès maintenant. Il existe en fait tout un domaine de recherche consacré à la découverte de nouveaux algorithmes quantiques, c’est-à-dire les ensembles d’instructions dont les ordinateurs quantiques auront besoin pour exécuter différentes tâches.
Les algorithmes comme outils de résolution de problèmes
Tous les ordinateurs, qu’ils soient classiques ou quantiques, utilisent des algorithmes. La plupart des gens connaissent par exemple les algorithmes des médias sociaux, conçus pour trouver et proposer du contenu correspondant aux intérêts des utilisateurs. Mais les algorithmes peuvent contribuer à résoudre toutes sortes de problèmes.
Pour les algorithmes quantiques, l’objectif est de permettre à une machine quantique d’obtenir un résultat plus efficacement qu’une machine classique en tirant parti de la nature probabiliste propre aux bits quantiques, ou qubits. Le but est d’atteindre ce qu’on appelle l’avantage quantique, c’est-à-dire le moment où un ordinateur quantique parvient à résoudre un problème ou à effectuer un calcul plus efficacement que le meilleur ordinateur classique disponible.
Il ne s’agit là que de l’un des critères qu’un algorithme quantique doit satisfaire pour être considéré comme utile. Un deuxième critère est qu’il faut pouvoir démontrer mathématiquement que l’algorithme accomplira réellement ce qu’il promet, puisqu’il n’est pas encore possible de le tester à grande échelle en pratique. Enfin, il devrait permettre de faire quelque chose d’utile ou de résoudre un véritable problème, et non simplement résoudre une curiosité mathématique.
Certains algorithmes quantiques existants se rapprochent déjà de ces critères. Même si nous ne disposons pas encore d’un ordinateur quantique à grande échelle pour tester les algorithmes potentiels, les théoriciens peuvent s’appuyer sur les lois connues de la physique et des mathématiques pour déterminer lesquels pourraient être utiles et lesquels mènent à des impasses. De plus, les ordinateurs quantiques actuels, de petite taille et sujets au bruit, permettent déjà d’explorer expérimentalement diverses possibilités.
L’algorithme quantique qui a bouleversé le monde
C’est en réalité le développement d’un algorithme quantique théorique qui a déclenché la course à l’informatique quantique. Au début des années 1990, l’informatique quantique semblait tellement éloignée de la réalité que la plupart des experts ne la prenaient pas au sérieux. Tout a changé en 1994 avec la mise au point de l’algorithme de Shor par le mathématicien Peter Shor.
L’algorithme de Shor suggère qu’un ordinateur quantique serait capable de factoriser rapidement de très grands nombres entiers, beaucoup plus rapidement qu’un ordinateur classique. Une telle capacité compromettrait l’une des méthodes de chiffrement les plus utilisées dans le monde, soit RSA.
Le fonctionnement de RSA repose précisément sur la difficulté de factoriser de grands nombres entiers.
Dans RSA, vous possédez une clé privée, connue de vous seul, qui est composée de deux grands nombres premiers. Il existe aussi une clé publique permettant d’envoyer ou de vérifier des messages, laquelle correspond au produit de ces deux nombres premiers.
Si l’algorithme de Shor rendait soudainement triviale la factorisation du produit de deux nombres premiers, les conséquences pour la cybersécurité mondiale seraient considérables.
Grâce à l’algorithme de Shor, l’informatique quantique est soudainement devenue un enjeu mondial concret plutôt qu’une simple curiosité théorique. Depuis, d’importants efforts ont été déployés pour préparer les systèmes de cybersécurité à l’ère quantique.
De nouveaux algorithmes et de nouvelles simulations quantiques, ainsi que des validations expérimentales préliminaires
Depuis 1994, la recherche de nouveaux algorithmes se poursuit. Un autre exemple célèbre est l’algorithme de Grover, un algorithme de recherche qui permet d’accélérer les recherches de façon quadratique, et non exponentielle.
Il existe également des approches quantiques pour résoudre des problèmes d’optimisation, comme le recuit quantique. Cette technique pourrait, par exemple, aider à trouver, parmi plusieurs options, la solution qui nécessite le moins d’énergie et à réduire les besoins énergétiques de nouvelles technologies.
Parmi les applications scientifiques les plus prometteuses des algorithmes quantiques découvertes jusqu’à présent figurent celles qui permettent de simuler des systèmes quantiques. À mesure qu’un système quantique évolue ou que le nombre de particules augmente, la difficulté de la simulation croît de façon exponentielle, ce qui rend ce type de recherche extrêmement exigeant en ressources. Les techniques quantiques pourraient toutefois rendre ces simulations beaucoup plus réalisables et, dans certains cas, elles le font déjà.
La première mise en œuvre expérimentale d’un algorithme quantique sur un système physique a été réalisée en 1998 par Michele Mosca et Jonathan A. Jones à l’Université d’Oxford. Il s’agissait de l’algorithme de Deutsch, qui était en fait le tout premier algorithme quantique jamais proposé.
L’algorithme de Deutsch ne satisfait pas à tous les critères d’un algorithme quantique « utile », puisqu’il concerne un problème pouvant techniquement être résolu dans un délai raisonnable par un ordinateur classique. Néanmoins, son exécution réussie sur un ordinateur quantique a constitué une première mondiale dans la mise en œuvre pratique d’un algorithme quantique.
Aujourd’hui, les chercheurs du Canada et d’ailleurs testent des simulations quantiques de plus en plus complexes, perfectionnent les algorithmes quantiques pour qu’ils fonctionnent sur des ordinateurs quantiques sujets au bruit et font progresser le domaine dans de nouvelles directions. À mesure que le matériel et les techniques de correction d’erreurs progressent, la recherche de nouveaux algorithmes quantiques puissants se poursuit.
À propos de l’IP
L'Institut Périmètre est le plus grand centre de recherche en physique théorique au monde. Fondé en 1999, cet institut indépendant vise à favoriser les percées dans la compréhension fondamentale de notre univers, des plus infimes particules au cosmos tout entier. Les recherches effectuées à l’Institut Périmètre reposent sur l'idée que la science fondamentale fait progresser le savoir humain et catalyse l'innovation, et que la physique théorique d'aujourd'hui est la technologie de demain. Situé dans la région de Waterloo, cet établissement sans but lucratif met de l'avant un partenariat public-privé unique en son genre avec entre autres les gouvernements de l'Ontario et du Canada. Il facilite la recherche de pointe, forme la prochaine génération de pionniers de la science et communique le pouvoir de la physique grâce à des programmes primés d'éducation et de vulgarisation.
