Avantage quantique – Est-ce qu’on est déjà arrivés? (Partie 1)

Chaque fois que je lis un titre sur l’informatique quantique, et le soi-disant avantage, je me souviens de longs voyages sur la route avec les enfants.  À peine quitté la maison, déjà quelqu’un demande « est-ce qu’on est déjà arrivés »? Et la question ne cesse d’être posée, encore et encore.

La notion de « suprématie quantique » a été proposée à l’origine par John Preskill, en 2012, pour souligner l’émergence du domaine de l’informatique quantique qui s’est produit à un moment privilégié de l’espace et du temps pour notre planète.  L’idée derrière l’expression a transmis le potentiel d’utiliser les phénomènes quantiques pour transformer fondamentalement les approches traditionnelles de la résolution de problèmes, libérant des avenues d’exploration qui étaient inconcevables en utilisant des ordinateurs traditionnels.  Au cours de la dernière décennie, les mots eux-mêmes sont devenus controversés, principalement en raison du mot « suprématie » et de son association avec la politique raciale. La plupart de la littérature fait maintenant référence au concept comme « avantage quantique ». 

L’avantage quantique en tant que concept s’est également avéré problématique, et la définition de l’avantage semble être une cible mouvante.  Des rapports récents ont identifié cet avantage comme ayant été atteint par Google, qui a été rapidement contesté par IBM, puis plus récemment atteint par des chercheurs d’une université chinoise.

Pour bien comprendre quel est cet avantage quantique qui prétend accélérer la découverte de médicaments, rendre obsolètes les techniques cryptographiques actuelles, turbocompresser l’IA et l’apprentissage automatique, et résoudre fondamentalement les problèmes du monde, cette série en trois parties présentera une introduction à la façon dont l’informatique quantique diffère de l’informatique classique et de l’état actuel de développement de l’informatique quantique.

Qu’est-ce qu’un ordinateur?

Un ordinateur est, à son niveau le plus élémentaire, une machine à calculer extrêmement puissante.  Les ordinateurs modernes sont pour la grande majorité organisés autour d’une unité centrale de traitement (un processeur).  Le processeur est connecté à des périphériques d’entrée (tels qu’un clavier, une souris, un microphone, des capteurs, etc.), à la mémoire de l’ordinateur et à un périphérique de sortie (une imprimante, un écran, même des commutateurs).  La différence significative entre une calculatrice et un ordinateur, c’est la mémoire: vous pouvez entrer dans la mémoire un ensemble d’instructions, une recette.  Lorsque vous « démarrez » l’ensemble d’instructions, elles sont exécutées dans l’ordre jusqu’à ce que toutes les instructions soient terminées.

Les instructions qui sont fournies au processeur doivent être converties en un « langage » que le processeur comprend.  Par exemple, « Ajouter A plus B et générer le résultat sur un écran d’ordinateur » n’est pas quelque chose qu’un processeur comprend.  Les instructions doivent être traduites en langage machine, une chaîne de 1 et 0 en alternance.  Chacun de ces chiffres est un « bit ».  Dans les ordinateurs classiques, le bit est limité à une plage binaire – donc le un ou le zéro.  Les ordinateurs classiques utilisent des transistors pour effectuer des opérations sur ces 1 et 0.

La liste des instructions est un programme informatique, qui indique au processeur quels calculs effectuer dans quel ordre, en utilisant quelles informations stockées dans la mémoire.  Les premiers ordinateurs étaient gigantesques – ils remplissaient des pièces entières, et n’étaient pas, selon les normes d’aujourd’hui, particulièrement rapides.

Évitant une comparaison avec les ordinateurs propulsés par des tubes sous vide (pensez à Eniac^[1]), remettons-nous au début des années 1970, moment où Intel a développé un microprocesseur (une puce) qui pourrait effectuer des dizaines de milliers d’instructions par seconde.  

Aujourd’hui, les processeurs sont mesurés en millions d’instructions par seconde (MIPS).  Le microprocesseur Intel du début des années 1970, l’Intel 4004 pouvait ainsi traiter 0 092 MIPS.  L’Intel Core i7 de 2014 peut traiter 238 310 MIPS – en d’autres termes, les processeurs d’aujourd’hui peuvent effectuer 2,5 MILLIONS d’opérations de plus par seconde que les premiers microprocesseurs^[2].   

La comparaison qui précède porte uniquement sur les microprocesseurs généraux, que l’on trouve par exemple dans les ordinateurs portables et les ordinateurs de bureau.  Le traitement parallèle (c’est-à-dire la décomposition des instructions stockées dans la mémoire en instructions qui peuvent être effectuées en parallèle) et l’émergence de microprocesseurs spécialisés tels que des unités de traitement graphique (GPU) ont un impact sur le calcul du MIPS et font de la comparaison des microprocesseurs l’objet de débats passionnés en ligne.

Ce qui est clair, c’est que les processeurs d’aujourd’hui peuvent effectuer des calculs complexes beaucoup plus rapidement que les processeurs ne le pouvaient il y a 50 ans.  Même en cas de rupture de la loi de Moore^[3], nous pouvons nous attendre à des améliorations continues des capacités du processeur, ce qui signifie qu’un problème difficile, voire impossible à calculer dans un laps de temps raisonnable aujourd’hui avec les ordinateurs classiques, peut être à portée de main demain.  L’amélioration de la puissance de traitement signifie que la théorie sous-jacente à « l’intelligence artificielle » et à l’apprentissage automatique, impossible à mettre en œuvre il y a 20 ans, est maintenant déployée auprès des consommateurs grand public sous la forme de la reconnaissance d’images dans les photographies et de la reconnaissance vocale.  

Qu’est-ce que tout cela a à voir avec le quantum?

Qu’est-ce qu’un ordinateur quantique?  

La mécanique quantique est le domaine d’étude des très petites choses – et par très petites choses, j’entends les atomes et les particules qui composent les atomes.  La mécanique quantique concerne le comportement et l’interaction de la matière à l’échelle atomique et subatomique.

Un ordinateur quantique est une machine informatique, qui s’appuie sur les propriétés de la mécanique quantique pour effectuer des calculs.  L’utilisation des propriétés de la mécanique quantique permet aux ordinateurs quantiques d’effectuer un nombre accru d’opérations à la fois, ce qui donne une machine informatique qui est intrinsèquement plus puissante que les ordinateurs classiques pour certains problèmes. Cependant, les algorithmes requis pour faire fonctionner les ordinateurs quantiques sont également très complexes.

Avantage quantique

La théorie derrière le concept de l’avantage quantique est la capacité de prouver qu’un ordinateur quantique peut effectuer des opérations (c’est-à-dire résoudre un problème) qu’un ordinateur classique ne pourrait pas effectuer, car cela prendrait tout simplement trop de temps.  Bien qu’il ait été démontré que théoriquement, les ordinateurs quantiques ont un avantage sur les ordinateurs classiques pour une classe de problèmes, la démonstration pratique n’est pas si facile à mettre en œuvre.

Actuellement, la puissance des ordinateurs quantiques a été démontrée principalement en résolvant des problèmes expérimentaux. Ces  résultats sont, faute d’un meilleur mot, inutiles.  Ce sont des preuves de concepts, et non un calcul d’une fonction ou d’un problème procurant un résultat utilisable. Un ordinateur quantique commercialement viable capable de résoudre des problèmes qui ont un résultat utile reste encore loin en termes de développement.

La deuxième partie de cette série fournira une exploration approfondie des propriétés de la mécanique quantique utilisée pour mettre en œuvre les ordinateurs quantiques. La troisième et dernière partie de cette série examinera l’état actuel du développement des technologies de l’informatique quantique.