La voiture de course (classique) et le dirigeable (quantique)
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Contrairement à l’impression du grand public, les ordinateurs quantiques sont lents, même très lents à l’heure actuelle! Pourtant, ils promettent de révolutionner notre façon de calculer et de communiquer. Pourquoi? Certaines tâches complexes pour des ordinateurs classiques sont simples pour ces calculateurs qui fonctionnent sur une logique complètement différente. Ainsi, si les ordinateurs quantiques atteignent la solution plus rapidement, ce n’est pas en raison de leur vitesse, mais plutôt parce qu’ils attaquent les problèmes différemment… en exploitant des propriétés quantiques!
Avant de plonger dans les notions formelles, je vais tenter une analogie. Imaginons que notre objectif est de résoudre une tâche. Autrement dit, nous voulons que notre ordinateur (classique ou quantique) trouve la solution à un problème. Pensons à ce problème comme à un labyrinthe : nous sommes placés initialement en périphérie et nous voulons atteindre le centre, qui correspond à la solution.
Pour un problème difficile à résoudre, le chemin à emprunter n’est pas évident à trouver. L’ordinateur classique est l’équivalent d’une voiture de course : elle va vite, tourne vite… mais elle devra parcourir une grande distance avant d’atteindre le centre, car elle explorera plusieurs détours avant de trouver le bon chemin. Au contraire, l’ordinateur quantique est l’équivalent d’un dirigeable. Le dirigeable est lent, peu maniable, mais il dispose d’un avantage crucial : il a accès à une dimension supplémentaire. En prenant de la hauteur, le dirigeable peut éviter tous les détours et atteindre lentement, mais très efficacement le centre du labyrinthe. Pendant ce temps, la voiture de course, certes plus rapide, sera encore en train d’errer dans le labyrinthe…
Ainsi, les ordinateurs quantiques n’ont pas vocation à remplacer les ordinateurs classiques, mais au contraire de résoudre certains problèmes beaucoup plus efficacement. Pour les tâches simples pour lesquelles il n’y a pas d’avantage quantique, autant utiliser les ordinateurs classiques qui sont très sophistiquésNDA : Il existe aussi de véritables problèmes 3D qui restent compliqués pour les ordinateurs classique ET quantique. En fait, on ne s’attend pas à ce que les ordinateurs quantiques résolvent efficacement des problèmes NP-complets.Cf. Bennett, Bernstein, Brassard, Vazirani. (1997) Strengths and weaknesses of quantum computing. SIAM journal on Computing 26 (5). 1510-1523..
Plus formellement, les ordinateurs quantiques disposent d’outils et de stratégies sans équivalents classiques. La nature ondulatoire de leur unité de base, appelée quantum bit ou qubit permet de démarrer des calculs dans un état de superposition de toutes les entrées classiques, plutôt que de répéter le calcul un nombre immense de fois (une pour chaque entrée). Ce parallélisme quantique n’est toutefois pas magique : en sortie d’un algorithme quantique, il faudra bien mesurer et obtenir une (et une seule) réponse classique. Il faut donc trouver un moyen astucieux de faire interférer les informations pour ne garder que celle qui nous intéresse (et détruire les informations inutiles). Exploiter ces corrélations quantiques (ou intrication) est au cœur de tout algorithme quantique.
À l’heure actuelle, les ordinateurs quantiques ont la capacité de traiter des problèmes de plus en plus gros et même de résoudre certains problèmes (un peu farfelus) plus rapidement que les meilleurs supercalculateurs classiques au monde [1]. Toutefois, on ne sait pas répertorier quelles tâches bénéficient d’une accélération quantique. Certains exemples sont connus : ainsi factoriser de grands nombres est difficile classiquement (c’est la base du cryptosystème RSA), mais simple quantiquement grâce à l’algorithme de Shor. Il reste donc énormément d’exploration à faire !
Dans cette perspective, Calcul Québec mettra en service en 2023 un ordinateur quantique de 12 qubits produit par la startup montréalaise Anyon Systems afin de permettre à la communauté universitaire de tester leurs idées. Physiquement, cet ordinateur sera placé sur le campus de l’ÉTS, dans le sous-sol du bâtiment D. En lançant des calculs quantiques sur cet ordinateur, il sera possible de tester des heuristiques quantiques sur des problèmes intéressants de recherche et de l’industrie pour trouver des accélérations quantiques. Les domaines où on attend ces accélérations comprennent :
- l’apprentissage machine quantique pour résoudre des problèmes d’optimisation,
- la simulation de systèmes quantiques en pharmaceutique, nouveaux matériaux, spintronique…
Ordinateur quantique de la startup montréalaise Anyon Systems qui sera bientôt installé dans le sous-sol du bâtiment D de l’ÉTS !
En parallèle de l’avènement des ordinateurs quantiques, le développement des communications quantiques va chambouler les télécommunications grâce à l’essor de nouvelles technologies :
- internet quantique : réseau de distribution d’information quantique,
- cryptographie quantique dont la sécurité est garantie par la physique quantique,
- cryptographie classique résistante aux ordinateurs quantiques (dite post-quantique).
L’ÉTS offre depuis deux ans un cours d’introduction à l’information quantique que j’ai eu le plaisir de créer puis d’enseigner. Il mêle des aspects théoriques sur les qubits, l’intrication et les portes quantiques avec des aspects plus concrets comme lancer des calculs quantiques sur les ordinateurs quantiques d’IBM. Il ne s’agit pas d’un cours de physique quantique, mais plutôt d’un cours sur les possibilités offertes par le traitement quantique de l’information. Il sera offert de nouveau lors de la session d’hiver 2023.
Par ailleurs, je travaille actuellement à fédérer les efforts de recherche en quantique au sein de l’ÉTS. J’encourage tous les membres du corps professoral et magistral souhaitant participer à me contacter.
Au plaisir de discuter quantique.
