Lorsque les scientifiques et les ingénieurs sont confrontés à des problèmes complexes, ils se tournent vers les superordinateurs. Il s'agit de très gros ordinateurs classiques, souvent dotés de milliers de cœurs de CPU et de GPU classiques, capables d'effectuer de très gros calculs et de faire appel à une intelligence artificielle avancée. Cependant, même les superordinateurs sont des machines basées sur le code binaire qui dépendent de la technologie des transistors du XXe siècle. Ils ont donc du mal à résoudre certains types de problèmes.

Si un superordinateur se trouve dans l'impasse, c'est probablement parce qu'on a demandé à cette grosse machine classique de résoudre un problème d'une grande complexité. Lorsque les ordinateurs classiques échouent, c'est souvent en raison de la complexité.

Les problèmes complexes sont des problèmes comportant de nombreuses variables qui interagissent avec complexité. Modéliser le comportement d'atomes individuels dans une molécule est un problème complexe, en raison de tous les électrons différents qui interagissent les uns avec les autres. L'identification de modèles subtils de fraude dans les transactions financières ou de nouveaux phénomènes physiques dans un supercollisionneur sont également des problèmes complexes. Il existe des problèmes complexes que nous ne savons pas résoudre avec des ordinateurs classiques, quelle que soit l'échelle.

Le monde réel repose sur la physique quantique. Les ordinateurs qui effectuent des calculs en utilisant les états quantiques des bits quantiques devraient, dans la plupart des cas, être nos meilleurs outils pour les comprendre.

Prenons un exemple qui montre comment les ordinateurs quantiques peuvent réussir là où les ordinateurs classiques échouent :

Un ordinateur classique peut être idéal pour des tâches difficiles comme trier une grande base de données de molécules. Mais elle peine à résoudre des problèmes plus complexes, comme la simulation du comportement de ces molécules.

Aujourd'hui, si les scientifiques veulent savoir comment se comportera une molécule, ils doivent la synthétiser et en faire l'expérience dans le monde réel. S'ils veulent connaître l'impact d'une légère modification sur son comportement, ils doivent généralement synthétiser la nouvelle version et recommencer leur expérience. Il s'agit d'un processus coûteux et long qui entrave les progrès dans des domaines aussi divers que la médecine et la conception de semi-conducteurs.

Un supercalculateur classique pourrait essayer de simuler le comportement moléculaire par force brute, en utilisant ses nombreux processeurs pour explorer toutes les façons possibles dont chaque partie de la molécule pourrait se comporter. Mais dès lors qu'il sort de la catégorie des molécules les plus simples et les plus explicites, le supercalculateur piétine. Aucun ordinateur ne dispose de la mémoire de travail nécessaire pour gérer toutes les permutations possibles du comportement moléculaire en utilisant des méthodes connues.

Les algorithmes quantiques adoptent une nouvelle approche pour résoudre ce type de problèmes complexes, en créant des espaces de calcul multidimensionnels. Cela s'avère être un moyen beaucoup plus efficace de résoudre des problèmes complexes tels que les simulations chimiques.

Nous ne disposons pas d'un bon moyen de créer ces espaces de calcul avec des ordinateurs classiques, ce qui limite leur utilité en l'absence de calcul quantique. Les chimistes industriels explorent déjà les moyens d'intégrer les méthodes quantiques dans leur travail. Ce n'est qu'un exemple parmi d'autres. Des sociétés d'ingénierie, des institutions financières, des compagnies maritimes internationales, entre autres, étudient des cas d'utilisation où les ordinateurs quantiques pourraient résoudre des problèmes majeurs dans leur domaine. Une multitude d'avantages découlant de la recherche et du développement quantiques se profilent à l'horizon. À mesure que le matériel quantique évolue et que les algorithmes quantiques progressent, de nombreux problèmes importants, tels que la simulation moléculaire, devraient trouver des solutions.

Un processeur IBM Quantum est une puce à peine plus grande que celle que l'on trouve dans un ordinateur portable. Un système matériel quantique a la taille d'une voiture et se compose essentiellement de systèmes de refroidissement destinés à maintenir le processeur supraconducteur à sa température de fonctionnement ultra-froide.

Un processeur classique utilise des bits classiques pour effectuer ses opérations. Un ordinateur quantique utilise des qubits (CUE-bits) pour exécuter des algorithmes quantiques multidimensionnels.

Supraconducteurs

Votre ordinateur de bureau utilise probablement un ventilateur pour refroidir suffisamment son système pour qu'il fonctionne. Nos processeurs quantiques doivent être très froids, environ un centième de degré au-dessus du zéro absolu, pour éviter la « décohérence », c'est-à-dire pour conserver leurs états quantiques. Pour ce faire, nous utilisons des superfluides surrefroidis. À ces températures ultra-basses, certains matériaux présentent un effet mécanique quantique important : les électrons s'y déplacent sans résistance. Ils sont donc des « supraconducteurs ».  

Lorsque les électrons traversent les supraconducteurs, ils se correspondent, formant des « paires de Cooper ». Ces paires peuvent transporter une charge à travers des barrières, ou des isolants, via un processus connu sous le nom de tunnel quantique. Deux superconducteurs placés de chaque côté d'un isolant forment une jonction Josephson.

Contrôle

Nos ordinateurs quantiques utilisent des jonctions Josephson comme qubits supraconducteurs. En envoyant des photons à micro-ondes sur ces qubits, nous pouvons contrôler leur comportement et les amener à conserver, modifier et lire des unités individuelles d'informations quantiques.

Superposition

Un qubit n'est pas très utile en soi. Mais il peut réaliser un exploit essentiel : placer l'information quantique qu'il contient dans un état de superposition, qui représente une combinaison de toutes les configurations possibles du qubit. Les groupes de qubits en superposition peuvent créer des espaces de calcul complexes et multidimensionnels. Les problèmes complexes peuvent être représentés d'une nouvelle manière dans ces espaces.

Intrication

L'intrication quantique est un effet qui met en corrélation le comportement de deux choses distinctes. Les physiciens ont découvert que lorsque deux qubits sont intriqués, les modifications apportées à l'un d'entre eux ont un impact direct sur l'autre.

Interférence

Dans un environnement de qubits intriqués placés dans un état de superposition, il existe des vagues de probabilités. Il s'agit des probabilités des résultats d'une mesure du système. Ces vagues peuvent se renforcer mutuellement lorsque plusieurs d'entre elles atteignent un résultat particulier, ou s'annuler mutuellement lorsque les pics et les creux interagissent. Il s'agit là de deux formes d'interférence.

Un calcul sur un ordinateur quantique fonctionne en préparant une superposition de tous les états de calcul possibles. Un circuit quantique, préparé par l'utilisateur, utilise l'interférence de manière sélective sur les composants de la superposition selon un algorithme. De nombreux résultats possibles sont annulés par les interférences, tandis que d’autres sont amplifiés. Les résultats amplifiés sont les solutions du calcul.

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