Vous ne trouverez pas de sitôt un ordinateur quantique au rayon ordinateurs de la Fnac. Mais une nouvelle avancée vient prouver que cette voie de recherche peut aboutir à des calculs d’une haute précision, ce qui permet d’envisager l’utilité future de ces machines.

Quand les ordinateurs quantiques pourront-ils arriver réellement sur le marché ? Ces machines n’utilisent plus des bits, mais des qubits, en mobilisant la mécanique quantique, décuplant alors la puissance de calcul. Une telle révolution n’adviendra que lorsque cette nouvelle technologie informatique aura prouvé sa stabilité, permettant d’utiliser réellement de l’informatique quantique. Trois papiers publiés simultanément dans Nature, le 19 janvier 2021, démontrent qu’une nouvelle étape a été franchie.

Ces trois équipes ont chacune obtenu une précision historique dans un système quantique :

  • Première étude : Andrea Morello et son équipe, aux États-Unis, ont atteint une précision de 99,95 % sur des opérations de 1-qubit et une précision de 99,37 % sur des opérations de 2-qubits.
  • Deuxième étude : Seigo Tarucha et son équipe, aux Pays-Bas, ont atteint une précision de 99,87 % pour les opérations 1-qubit et 99,65 % pour les opérations 2-qubits.
  • Troisième étude : Akito Noiri et son équipe, au Japon, ont atteint 99,84 % pour du 1-qubit et 99,51 % pour le 2-qubits.
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Ordinateur quantique. // Source : Tony Melov / UNSW

Pourquoi la précision est-elle si importante ?

Si ces trois résultats sont si déterminants, c’est parce que l’informatique quantique ne peut être envisagée sans une excellente stabilité. Cela vient de ses spécificités… quantiques. L’informatique classique repose sur des bits binaires — 1 et 0 — comme unités de stockage de l’information. Dans votre ordinateur, l’information prend soit l’état d’un 1, soit l’état d’un 0.

Mais dans un ordinateur quantique, l’information est stockée en qubit (bit quantique) : un qubit peut être à la fois un 1 et un 0. Dans un qubit, le 1 et le 0 sont donc potentiellement superposés. C’est la superposition quantique. Il en va de même pour certaines particules à l’échelle quantique de l’infiniment petit : comme le chat de Schrödinger qui est mort et vivant avant à la fois avant qu’on regarde dans la boîte, l’objet est dans deux états contradictoires avant qu’on ne le mesure.

En matière de vitesse et de puissance de calcul, l’usage des qubits est sans commune mesure. Le stockage en bits limite la prise en compte des variables : chaque variable modifiée implique un nouveau calcul. Donc même les superordinateurs finissent par être face à un mur pour résoudre rapidement des problèmes mathématiques complexes. Un ordinateur quantique, grâce à la superposition des 1 et des 0, est capable de calculer toutes les probabilités en même temps. Cela permet d’obtenir une réponse aux calculs extrêmement rapidement sur des problèmes d’une infinie complexité.

Tout cela est génial, mais il y a un problème à résoudre pour que le système soit fonctionnel (car : science !). Le monde quantique est instable, difficile à maîtriser et à mesurer. Obtenir un résultat fiable et précis avec des qubits est périlleux.

Stabiliser des bits quantiques, mode d’emploi

Mais les scientifiques dont les travaux sont publiés ici dans Nature ont trouvé des solutions ingénieuses. Par exemple, l’équipe d’Andrea Moreno avait accompli une belle réussite en 2014 en maintenant des informations quantiques dans du silicium pendant 35 secondes au sein d’un système à deux qubits — deux noyaux d’atomes de phosphore. Cette réussite était possible grâce à une « astuce » reposant sur l’isolement des qubits pour les extraire de leur environnement et les rendre plus stables dans le temps. Sauf que cette isolation rendait difficile la communication entre les deux qubits.

Ils ont eu l’idée d’introduire un électron pour relier les deux noyaux. Cette connexion à travers l’électron semble résoudre le problème en permettant la communication. « Si vous avez deux noyaux qui sont connectés au même électron, vous pouvez leur faire faire une opération quantique », explique l’un des auteurs, le Dr Mateusz Mądzik. « Tant que vous ne faites pas fonctionner l’électron, ces noyaux stockent en toute sécurité leurs informations quantiques. Mais maintenant, vous avez la possibilité de les faire parler entre eux via l’électron, pour réaliser des opérations quantiques universelles qui peuvent être adaptées à n’importe quel problème de calcul. »

Les deux autres équipes ont utilisé un autre système de stabilisation. Ce qui est important, c’est surtout ce que démontre l’ensemble de ces travaux publiés concomitamment : une haute précision de quasi 100 % est possible. « Lorsque les erreurs sont si rares, il devient possible de les détecter et de les corriger lorsqu’elles se produisent. Cela montre qu’il est possible de construire des ordinateurs quantiques qui ont suffisamment d’échelles, et suffisamment de puissance, pour gérer des calculs significatifs », relève Andrea Morello.