En 2021, Google nous parlait de l’utilité des ordinateurs quantiques tout en dévoilant leur nouveau campus Quantum AI, une vraie révolution qui pourrait débloquer des problèmes au sein des secteurs environnementaux, automobiles ou encore médicaux, permettant de construire de meilleures batteries, de créer des engrais qui ne pollueraient que peu, ou encore des médecines extrêmement ciblées afin d’endiguer les pandémies avant même qu’elles ne débutent réellement. Beaucoup de promesses, mais finalement, qu’est-ce qu’un ordinateur quantique ? Pourrait-on en voir dans nos entreprises ou nos maisons sous peu? Où en est la France dans le domaine ?
Quelques bases de physique quantique pour bien comprendre : l’expérience de Schrödinger
Étudiée au début du XXe siècle, la physique quantique s’intéresse aux comportements des atomes et des particules, ainsi qu’aux règles les décrivant. Nous autres humains, obéissons à une physique dite « classique ». Nous sommes par exemple soumis à la gravité, et pour faire très succinct, la mécanique classique permet entre autres de décrire notre mouvement, notre vitesse étant faible par rapport à celle de la lumière.
La spécificité de l’ordinateur quantique réside dans le fait que ce dernier effectue des calculs en utilisant les lois de la physique quantique et plus précisément celle de superposition des états quantiques. Ce principe signifie qu’un même état quantique peut posséder des valeurs semblables pour une quantité observable. Une des expériences les plus connues pour montrer le caractère semblable de ces valeurs est une expérience de pensée : celle du chat de Schrödinger.
Dans cette expérience théorique visant à expliquer la mécanique quantique et les probabilités, un chat est enfermé dans une boîte close, avec un peu de matière radioactive, et une fiole de gaz mortel. Si le compteur Geiger capte une variation dans les taux de radioactivité du fait de la désintégration d’un noyau radioactif -qui est un événement imprévisible-, le gaz est libéré et le chat est tué.
Pour expliquer le concept de probabilités, Schrödinger explique que si le chat était un objet quantique, il pourrait être aussi bien vivant que mort tant que l’on n’ouvre pas cette boite. En clair, il aura 50 % de chances d’être mort, ou 50 % de chances d’être en vie. Encore une fois, s’il était un objet quantique, il pourrait être à la fois mort et vivant. C’est ce que l’on appelle la théorie de la superposition quantique.
Pour connaître l’état du chat, il faudra ouvrir la boîte et regarder à l’intérieur. Lorsque l’on ouvrira cette boite, cet état sera « fixé », devenant la réalité. Cette théorie s’appelle celle de la décohérence quantique, et permettrait potentiellement d’expliquer la transition entre les lois de la physique quantique et celles de la physique classique.
L’ordinateur quantique et ses futures applications
Nous l’avons vu plus tôt, un ordinateur quantique répond aux lois de la physique quantique. Ce qui signifie qu’à la différence de l’ordinateur classique qui fonctionne avec des bits qui sont des unités binaires, l’ordinateur quantique fonctionne avec des « qubits », qui sont des superpositions d’états entre 0 et 1. Ainsi, l’ordinateur quantique ne va pas tester une solution à la fois comme le ferait l’ordinateur classique, mais toutes les solutions en même temps. Ce qui aboutit à des systèmes de calcul incroyablement rapides. En traitant d’énormes masses de données, l’ordinateur quantique pourrait à terme réaliser des opérations dépassant l’entendement et effectuer des prévisions ou encore des simulations à très grande échelle. La simulation de nouveaux matériaux pourrait par exemple permettre de construire des réseaux de transfert d’électricité sans perte aucune, ce qui permettrait d’échapper à la deuxième loi de la thermodynamique qui dispose que tout objet plus chaud que l’environnement doit perdre de façon constante une partie de son énergie thermique.
Des limites existantes mais pas insurmontables
Actuellement, il reste des défis techniques à relever et le travail est énorme : il faudra selon Michelle Simmons et son équipe, encore bien cinq ans avant d’espérer voir arriver un résultat commercial pour cette technologie. Leur dernier résultat date de 2021, et est l’équivalent d’un circuit intégré quantique. Au vu de leur récent article publié dans la revue Nature, l’ordinateur quantique actuel est proche de la limite de ce que les ordinateurs classiques peuvent faire. Cependant, des dispositifs plus grands, allant au-delà de ce qu’un ordinateur classique peut modéliser sont à présent en mesure d’être fabriqués, et permettront d’étudier et de comprendre le monde de façon très différente de ce qui avait jusqu’à présent été vu, ouvrant très possiblement la voie à des découvertes d’envergure.
Et la France, dans tout ça?
En comparaison de la Chine, qui a réalisé des investissements colossaux dans le domaine, la France possède un certain retard. Il faut dire qu’en 2016, la Chine lançait le premier satellite de communication quantique au monde (QUESS, ou Mozi/Micius) et qu’en 2017, c’est un réseau de fibres optiques de 2000 km de long qui fut testé entre Pékin et Shanghai, avec succès. Par ailleurs, il est à présent possible pour la Chine d’établir une connexion quantique avec Mozi en utilisant un dispositif de 80 kg au sol, contre une dizaine de tonnes auparavant. La miniaturisation a donc bien évolué et permet de rendre le dispositif transportable. Les GAFA ont fait des investissements massifs dans le domaine également.
