Expliqué : Qu'est-ce que la suprématie quantique ?

La suprématie quantique est un jalon qui a été longtemps recherché dans l'informatique, et maintenant Google a annoncé qu'il l'avait atteint. Un regard sur la science derrière le concept, et ce qui a vraiment été réalisé et ce qu'il en reste.

Un composant de l'ordinateur quantique de Google dans le laboratoire de Santa Barbara, Californie, États-Unis. (Photo via Reuters)

Cette semaine, Google a annoncé avoir réalisé une percée appelée suprématie quantique en informatique. Qu'est-ce que cela signifie et pourquoi est-ce important?

Alors, qu'est-ce que la suprématie quantique ?

C'est un terme proposé en 2012 par John Preskill, professeur de physique théorique au California Institute of Technology. Il décrit le point où les ordinateurs quantiques peuvent faire des choses que les ordinateurs classiques ne peuvent pas. Dans le cas de Google, des chercheurs de l'Université de Californie à Santa Barbara ont affirmé avoir développé un processeur qui a mis 200 secondes pour faire un calcul qui aurait pris 10 000 ans à un ordinateur classique.

Mais qu'est-ce qu'un ordinateur quantique ?

Nos ordinateurs traditionnels fonctionnent sur la base des lois de la physique classique, notamment en utilisant le flux d'électricité. Un ordinateur quantique, quant à lui, cherche à exploiter les lois qui régissent le comportement des atomes et des particules subatomiques. À cette échelle minuscule, de nombreuses lois de la physique classique cessent de s'appliquer et les lois uniques de la physique quantique entrent en jeu.

Le développement d'un tel ordinateur est un objectif des scientifiques depuis près de quatre décennies. En 1981, le physicien Richard Feynman écrivait : Essayer de trouver une simulation informatique de la physique me semble être un excellent programme à suivre… La nature n'est pas classique… et si vous voulez faire une simulation de la nature, vous feriez mieux de faire de la mécanique quantique, et bon sang, c'est un problème merveilleux, parce que ça n'a pas l'air si facile.

Quelle différence une telle simulation ferait-elle ?

Il s'agit de la vitesse de traitement. Voyons comment un ordinateur classique traite l'information. Les bits d'information sont stockés sous la forme 0 ou 1. Chaque chaîne de ces chiffres (chaînes binaires) représente un caractère ou une instruction unique ; par exemple, 01100001 représente le a minuscule.

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Dans un ordinateur quantique, les informations sont stockées en bits quantiques, ou qubits. Et un qubit peut être à la fois 0 et 1 en même temps. La physique quantique implique des concepts que même les physiciens décrivent comme étranges. Contrairement à la physique classique, dans laquelle un objet peut exister à un endroit à un moment donné, la physique quantique examine les probabilités qu'un objet se trouve à différents points. L'existence dans plusieurs états est appelée superposition, et les relations entre ces états sont appelées enchevêtrement.

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Plus le nombre de qubits est élevé, plus la quantité d'informations qu'ils contiennent est élevée. Par rapport aux informations stockées dans le même nombre de bits, les informations en qubits augmentent de façon exponentielle. C'est ce qui rend un ordinateur quantique si puissant. Et pourtant, comme l'a écrit Preskill de Caltech en 2012, la construction de matériel quantique fiable est un défi en raison de la difficulté de contrôler avec précision les systèmes quantiques.

Sundar Pichai avec l'un des ordinateurs quantiques de Google dans le laboratoire de Santa Barbara, Californie, États-Unis. (Photo via Reuters)

Est-ce ce que Google a réalisé ?

Les chercheurs ont démontré de quoi un ordinateur quantique est capable. Ils ont construit une architecture de 54 qubits avec Sycamore, l'ordinateur quantique de Google. Alors que l'un d'entre eux n'a pas fonctionné, les 53 autres qubits ont été intriqués dans un état de superposition.

L'équipe a composé une séquence aléatoire d'environ 1 000 opérations. Chaque fois qu'ils exécutaient cet algorithme aléatoire, l'ordinateur quantique produisait une chaîne de bits.

Maintenant, certaines chaînes de bits sont plus susceptibles de se produire que d'autres, et il est possible d'identifier celles qui sont les plus probables. Cependant, plus le circuit quantique aléatoire est complexe, plus il est difficile pour un ordinateur classique d'identifier les chaînes de bits les plus probables - et la difficulté augmente de façon exponentielle. La suprématie a été atteinte lorsqu'ils ont démontré que le processeur quantique n'avait pris que 200 secondes pour calculer un algorithme aléatoire super complexe, tandis que le supercalculateur le plus rapide aurait mis 10 000 ans, a déclaré Google dans un e-mail.

Alors, à quoi ça sert ?

Aucun, en ce qui concerne les applications pratiques. La tâche effectuée n'est pas très importante pour ce jalon ; il s'agit beaucoup plus du fait que le jalon s'est produit en premier lieu, a déclaré l'e-mail de Google. Il a cité les frères Wright comme une analogie : pour eux de démontrer que l'aviation est possible, peu importait où l'avion se dirigeait, où il a décollé et atterri, mais qu'il était capable de voler du tout.

Tout le monde est-il convaincu ?

IBM a contesté l'affirmation de Google selon laquelle son calcul quantique ne pouvait pas être effectué par un ordinateur traditionnel. Dans un article de blog, IBM a affirmé que le calcul décrit par les chercheurs de Google pourrait être réalisé par un ordinateur existant en moins de deux jours et demi, et non en 10 000 ans.

Incidemment, IBM a lui-même revendiqué jeudi une percée dans le calcul quantique. Ses chercheurs ont fait une percée dans le contrôle du comportement quantique des atomes individuels, démontrant un nouveau bloc de construction polyvalent pour le calcul quantique, a déclaré IBM sur son site Web. L'article est publié dans la revue Science. La recherche de Google apparaît dans Nature.

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Et ensuite ?

Les scientifiques cherchent à améliorer leur travail, notamment en détectant et en corrigeant les erreurs. L'Université de Californie à Santa Barbara a noté que la recherche a déjà réalisé un outil très réel pour générer des nombres aléatoires. Les nombres aléatoires peuvent être utiles dans divers domaines, notamment la protection des clés cryptées pour le décryptage, ce qui pourrait être un problème potentiellement épineux pour les gouvernements.

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Les ordinateurs quantiques pourraient un jour entraîner d'énormes progrès dans la recherche scientifique et la technologie. L'intelligence artificielle et les nouvelles thérapies médicamenteuses font partie des domaines à gagner. Tout cela, cependant, est loin.

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