Informatique quantique: Qubit, cryptographie, téléportation et impact sur notre avenir

Bien que cela puisse évoquer une intrigue de série de science-fiction, l' Informatique Quantique est une réalité qui fait appel à des domaines tels que l'informatique, les mathématiques et la physique, plus spécifiquement la mécanique quantique.

Faisons connaissance avec Qubit!

Qu'est-ce qui le rend si révolutionnaire ? En informatique classique, nous avons le bit (chiffre binaire), qui peut avoir la valeur zéro (0) ou la valeur un (1). Cependant, en informatique quantique, le qubit (bit quantique) peut, tout comme son homologue, exister dans les états 0 ou 1, mais il peut également se trouver dans un état de chevauchement avec d'autres valeurs, subir des mesures affectant son état, voire même être intriqué avec d'autres qubits. Le fait qu'ils puissent tirer parti des propriétés susmentionnées les rend plus puissants que les bits traditionnels.

La construction d'ordinateurs quantiques et d'autres technologies d'information quantique exige des objets agissant comme des qubits. Les scientifiques ont désormais la capacité de manipuler et de contrôler divers systèmes physiques agissant comme des qubits. Cette avancée permet la combinaison de différentes technologies quantiques, chacune exploitant les avantages distincts de son type spécifique de qubit.

De nombreuses particules quantiques se comportent comme de minuscules aimants. Cette propriété est appelée spin. L'orientation du spin peut pointer vers le haut (correspondant à l'état 0) ou vers le bas (correspondant à l'état 1). Il en résulte un qubit de spin, comme illustré dans la figure ci-dessous : 

Spin qubit

Une autre méthode pour obtenir des qubits consiste à exploiter les niveaux d'énergie des électrons dans des atomes neutres ou des ions qui, dans leur état naturel, occupent l'état d'énergie le plus bas possible. Lorsqu'ils sont stimulés par des lasers, ils passent à un niveau d'énergie supérieur, et le qubit peut être assigné à la valeur 0 (état d'énergie basse) ou 1 (état d'énergie élevée), comme illustré dans la figure suivante : 

Energy qubit

L'un des cas les plus fascinants concerne les photons, des particules individuelles de lumière qui présentent un comportement d'onde ou de particule, ce qui permet de les utiliser en tant que qubits de diverses manières. Étant donné que chaque photon possède un champ électromagnétique (onde) avec une certaine direction (appelée polarisation), les deux états utilisés pour définir les qubits sont la polarisation horizontale (qubit dans l'état 0) et la polarisation verticale (qubit dans l'état 1) : 

Qubit by polarisation

Dans le domaine des photons, le trajet qu'un photon emprunte est une autre manière de définir un qubit. Un photon peut être placé dans une superposition d'états en utilisant la technique de division du faisceau. Ainsi, si un photon suit le chemin supérieur, il est attribué à l'état 0, sinon il est attribué à l'état 1 :

Qubit by beam-splitting

Il est également possible de définir un qubit en utilisant le temps d'arrivée du photon, créant une superposition quantique entre l'état du photon qui arrive plus tôt et celui qui arrive plus tard, en leur attribuant respectivement les états 0 et 1. Sur la figure illustrative ci-dessous, les états 0 et 1 sont représentés à l'aide de la notation de Dirac, respectivement " |0> " et " |1> " : 

Qubit by arrival time

L'utilisation de matériaux supraconducteurs (qui permettent le passage de l'électricité sans résistance à basse température) permet également de créer des circuits électriques qui se comportent comme des qubits. Contrairement aux méthodes mentionnées précédemment, ces systèmes sont composés de milliards d'atomes qui se comportent comme un seul système quantique.

Pour définir un qubit, si l'électricité circule dans le sens des aiguilles d'une montre, cela correspond à l'état 0. Si l'électricité circule dans le sens contraire des aiguilles d'une montre, cela correspond à l'état 1 :

Qubit by electricity flow

Communication Quantique

Dans notre monde moderne, où tout est censé être connecté, ordinateurs, voitures, réfrigérateurs, avions, machines industrielles, smartphones et autres périphériques dans des secteurs tels que la banque, la santé, l'armée et l'éducation, dépend des réseaux de données pour la communication entre les différents systèmes mentionnés ci-dessus.

Pour relever ce défi, les chercheurs développent des protocoles de communication et des algorithmes, connus sous le nom de Quantum-Safe Cryptograph (QSC). Ces avancées sont cruciales pour renforcer la sécurité de la communication quantique, consolidant ainsi les bases de notre paysage technologique de plus en plus dépendant de la physique quantique.

Cryptographie quantique

L'une des plus grandes menaces pour notre monde connecté réside dans la vulnérabilité des communications numériques. Les individus malveillants ou ceux œuvrant à des objectifs criminels sont en mesure de voler nos identités, notre argent et des informations confidentielles.

La cryptographie est la science des secrets, permettant la transmission d'informations sur de longues distances tout en les gardant secrètes pour quiconque autre que l'expéditeur et le destinataire. Une grande partie des méthodes de chiffrement actuelles repose sur des méthodes de factorisation extrêmement difficiles à résoudre sur des ordinateurs numériques. La possibilité d'utiliser des ordinateurs quantiques nous pousse à réfléchir à la manière dont nous voulons que l'information soit sécurisée.

Une forme de chiffrement basée sur le principe d'incertitude est la QKD (Distribution Quantique de Clés), qui permet de protéger les informations même en cas d'attaque par un autre ordinateur quantique. Il convient de noter que ce chiffrement est déjà utilisé par certaines organisations (gouvernements et institutions privées) et a été utilisé en 2007 pour protéger les résultats du processus électoral en Suisse.

Le fonctionnement du chiffre QKD consiste à créer une clé partagée entre deux entités, qui est parfaitement sécurisée. L'une des parties (l'expéditeur) envoie des qubits dans des états particuliers au destinataire, qui les observe ou les mesure. Toute autre entité qui interfère dans le processus doit également lire ou mesurer ces qubits, laissant une trace détectable, car ce processus est basé sur le principe d'incertitude, qui stipule qu'il n'est pas possible de mesurer un état quantique sans le perturber. En cas de perturbation, les deux parties (expéditeur et destinataire) sont informées qu'elles doivent abandonner l'échange et supprimer la clé partagée.

Téléportation quantique

La téléportation quantique fait référence à l'information et non à la matière, utilisant l'intrication pour transférer l'état quantique d'une particule à une autre (cette opération détruit l'état quantique initial).

Plusieurs expériences scientifiques sur la téléportation quantique ont déjà été réalisées en utilisant des spins ioniques et des photons. Par exemple, en 2012, une équipe internationale de chercheurs de Vienne et de l'Université de Waterloo a téléporté l'état d'un photon sur une distance de 143 kilomètres entre deux îles de l'archipel des Canaries.

La téléportation va bien au-delà de la simple science ludique (non, elle ne s'applique pas encore aux personnes 😊). C'est une partie très importante des architectures d'informatique quantique, car elle permet l'échange d'informations entre différents qubits.

Le futur est quantique !

Quel sera l'impact de la Science et de la Technologie de l'Information Quantique (STIQ) ?

Historiquement, toutes les nouvelles technologies influencent la société en favorisant la transformation et l'évolution. Aujourd'hui, les scientifiques et ingénieurs font des dispositifs quantiques une réalité et propulsent une nouvelle révolution technologique, l'Ère Quantique, qui sera le moteur de l'innovation du 21e siècle.

Le potentiel ultime de ces dispositifs est limitée seulement par notre imagination, et leur impact sera bien plus grand que ce que nous pouvons prédire. La prochaine génération de scientifiques, ingénieurs, programmeurs et mathématiciens libérera la puissance du monde quantique !

Applications en informatique

L'objectif des ordinateurs quantiques est de pouvoir répondre à des questions que les ordinateurs classiques ne peuvent pas résoudre, ou dont les réponses prendraient trop de temps à produire. Pour que cela soit possible, nous devons accomplir la tâche colossale de construire des ordinateurs quantiques robustes et fiables, et développer des outils de simulation capables de comprendre et de répondre à des questions complexes dans un laps de temps raisonnable, permettant ainsi le développement de divers domaines tels que la chimie, la biologie, la science des matériaux ou la médecine. Ces avancées pourraient aboutir à des inventions dynamiques telles que des avions plus performants ou de meilleurs produits pharmaceutiques.

Software Engineering

En termes d'ingénierie logicielle, tout ordinateur quantique nécessitera des stratégies de correction d'erreurs très sophistiquées, la création d'algorithmes pour supprimer les erreurs quantiques qui gâchent la magie de l'informatique quantique, et le développement d'applications capables d'obtenir des performances maximales lorsqu'elles sont exécutées sur des ordinateurs quantiques.

Suprématie quantique

La suprématie quantique est un concept qui se réfère à la capacité de l'informatique quantique à résoudre des problèmes que les ordinateurs classiques ne peuvent pas résoudre. Elle peut être obtenue de deux manières : en développant un ordinateur quantique (avec un grand nombre de qubits et, en même temps, des taux d'erreur très faibles) capable de résoudre un problème qu'aucun ordinateur classique ne peut résoudre ; ou en développant un algorithme quantique, qui peut être utilisé pour résoudre un problème plus rapidement que n'importe quel algorithme classique.

Google possède un ordinateur de 72 qubits, le Sycamore, tandis qu'IBM possède l'Osprey, avec 433 qubits. Si le critère de performance était basé uniquement sur le nombre de qubits, IBM aurait un avantage clair, mais Google a fait une percée énorme en développant une méthode de correction d'erreur qui permet aux ordinateurs quantiques de résoudre des problèmes réels et quotidiens.

D-Wave (la première entreprise à lancer un véritable ordinateur quantique sur le marché, il y a plus d'une décennie), utilisant actuellement son processeur appelé Advantage, prétend également avoir atteint la suprématie quantique. IonQ est également dans la course, ayant annoncé son ordinateur de 323 qubits et proposant divers services informatiques quantiques en ligne et/ou par abonnement. Comme IonQ, Microsoft et Amazon proposent également des services en ligne pour l'informatique quantique.

Mais ce n'est pas seulement en Occident que des progrès sont réalisés vers la suprématie quantique : plusieurs publications d'institutions en Chine affirment l'avoir déjà atteinte ; le Japon est également dans la course grâce à un regroupement d'entreprises dont Fujitsu, Toshiba, entre autres ; l'Inde participe également avec un énorme soutien financier du gouvernement.