Opportunités et défis de la recherche sur le calcul quantique

A la base du concept de l’ordinateur quantique figure l’idée selon laquelle les phénomènes quantiques pourraient être utilisés pour décupler la puissance de calcul des machines classiques. Ce rêve, poursuivi par des scientifiques, de par le monde, depuis plus de trente ans, se heurte cependant à d’importants obstacles technologiques.

Au début des années 1980, le « Nobel de physique » Richard Feynman est le premier à pressentir les possibilités faramineuses d’un ordinateur capable de tirer parti des lois quantiques. Dès les années 1990, plusieurs théoriciens démontrent que certains calculs verraient leur résolution accélérée dans des proportions inouïes s’il était possible de les implémenter sur des bits quantiques (qubits) plutôt que sur des bits classiques. À condition, bien sûr, de disposer d’un processeur quantique pour les utiliser, processeur dont personne ne sait à l’époque à quoi il pourrait ressembler.

Molécules en phase liquide, ions piégés par des faisceaux laser, impureté dans les solides… les idées commencent à fuser dans les laboratoires de physique pour définir ce qui pourrait devenir les briques de bases d’un futur ordinateur quantique, à l’instar des transistors de la microélectronique classique.

Un potentiel de rupture majeur mais un problème conceptuel et technologique extrêmement difficile que nous explique le CEA dans cet article didactique.

La quête de l’ultime qubit

Au XXe siècle, la mise au jour de la physique quantique a révolutionné notre conception du monde mais aussi notre mode de vie avec ses applications : lasers, transistors, circuits intégrés.

Une deuxième révolution quantique advient à l’aube du XXIe siècle. Elle regroupe des recherches visant à concevoir et à réaliser des dispositifs de rupture qui exploitent les phénomènes physiques de la superposition et de l’intrication quantique. C’est un domaine en pleine expansion avec de très forts enjeux scientifiques et technologiques. En particulier, la réalisation d’un ordinateur quantique permettrait des approches révolutionnaires pour certaines classes de problèmes.

La communauté scientifique bien informée sur les possibilités des technologies quantiques est encore réduite. Issue pour l’essentiel du monde académique (physique et mathématiques), elle a peu développé les voies applicatives pour le moment. Il est donc possible que de nombreuses applications insoupçonnées jusqu’à présent apparaissent dans un futur proche.

Des domaines d’application déjà identifiés

Aujourd’hui, des programmes de recherche importants sont menés selon trois grandes voies de l’ingénierie quantique qui étudie ce qu’il est possible de réaliser en termes d’application en exploitant les propriétés d’intrication, de non localité et de superposition, propre à un système quantique :
- Les capteurs : une information portée par un qubit est très sensible aux perturbations apportées par son environnement ; c’est une difficulté pour réaliser un ordinateur mais cela peut permettre de construire une sonde très sensible.
- Les ordinateurs de très grande performance : le calcul quantique est intrinsèquement parallèle et permet de traiter en un temps très réduit de grandes quantités d’information, avec des performances inaccessibles au calcul classique pour certaines applications.
- Les télécommunications protégées : les corrélations quantiques entre des particules intriquées permettent de coder un message garantissant l’absence d’interception lors de sa transmission. Le codage à base de clefs publiques trop difficiles à factoriser par les ordinateurs actuels pourrait être cassé par un ordinateur quantique ayant un nombre suffisant de qubits (de l’ordre du nombre de bits de la clef).

Le calcul massivement parallèle, intrinsèque à l’ordinateur quantique, permet de sonder l’espace des états d’un système comportant de très nombreux paramètres. Cette caractéristique permet déjà d’identifier quatre grands domaines d’application :
- La chimie : simuler, in silico, de manière exacte, la structure et le fonctionnement de grosses molécules d’intérêt pour la pharmacologie ou pour l’agronomie. Avec les plus puissants ordinateurs actuels, même les plus puissants, il est possible de simuler des petites molécules mais il est souvent nécessaire de recourir à de fortes approximations dès que la taille du système étudié augmente.
- Le Data Mining : accélérer la recherche d’une information spécifique dans une vaste base de données ;
- L’optimisation de procédés de l’industrie 4.0 : trouver une solution optimale dans un système complexe multiparamétrique, comme par exemple la tournée la plus rapide d’un camion de livraison ou ajuster l’offre à la demande sur un réseau électrique très décentralisé ;
- L’intelligence artificielle : au cours de la phase d’apprentissage d’un système d’IA, telle qu’une reconnaissance d’images, les informations pourront être simultanément reconnues et non de façon séquentielle comme c’est le cas avec des processeurs classiques (examiner une situation, puis une autre, etc.).

Les enjeux de la recherche

Alors que dans un calculateur classique, les bits (unités de base utilisées) ne peuvent prendre qu’une valeur parmi deux (soit 0 soit 1), les qubits peuvent être placés dans un ensemble continu de superpositions de leurs deux états de base |0> ou |1>

Un ordinateur exploitant cette possibilité, offerte par les lois de la physique quantique, pourrait calculer de façon massivement parallèle, c'est-à-dire simultanément, l'ensemble des valeurs des qubits, et ainsi surpasser considérablement la puissance de l'ordinateur classique.

Ainsi, dans un ordinateur classique, une série de N bits égaux à 0 ou 1 permet d’encoder un unique nombre parmi les 2N possibles (un parmi 4096 pour N = 12).

En revanche, un registre quantique dont les 12 qubits seraient en parallèle plongés dans les deux états de base |0> ou |1>, se trouverait dans une superposition des 4096 états de base du registre. Toute opération quantique qui lui serait appliquée s’effectuerait en parallèle sur ces 4096 états de base. Ceci ne réaliserait pas pour autant du calcul parallèle car la lecture ne donnera qu’un seul résultat. L’art de l’algorithmique quantique consiste alors à exploiter le parallélisme tout en concentrant, par chaque étape de mesure, l’état du registre quantique sur la ou les solutions du problème étudié.

Les difficultés du quantique

Si les spécialistes de physique quantique savent observer atomes, photons ou molécules dans des états dits « de superposition quantique », ces états sont extrêmement fragiles : à la moindre perturbation extérieure, ils s’évanouissent ; d’où la nécessité d’isoler aussi complètement que possible de leur environnement les systèmes que l’on souhaite mettre durablement dans de tels états.

Les qubits sont les unités de construction des calculateurs quantiques. Ils peuvent être mis en oeuvre dans une large variété de systèmes physiques à l’échelle du laboratoire. La recherche sur les qubits s’est d’abord naturellement portée sur des systèmes au comportement quantique avéré, comme les atomes et les ions, bien que ces systèmes microscopiques soient difficiles à contrôler individuellement et à coupler. Elle s’est également portée ensuite sur des systèmes plus faciles à contrôler, comme des circuits électriques, qui eux ne fonctionnent, en général, pas en régime quantique.

Cependant, lorsqu’on veut produire de grands systèmes ou des qubits en série, il faut utiliser des supports de l’information quantique compatibles avec les standards industriels. Les qubits de spin dans le silicium sont de petite taille (typiquement 30 nm) et sont compatibles avec les technologies CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor : technologie de fabrication de composants électroniques), largement utilisées dans l’industrie microélectronique. Ils présentent donc des avantages évidents pour la production en série par rapport aux autres types de qubits.

Depuis 2012, où ont été mis au point les premiers qubits basés sur des spins d’électrons confinés, le 28Si purifié isotopiquement a permis d’améliorer significativement le temps de cohérence du spin quantique : en effet, l’isotope 28 du silicium ne porte pas de spin nucléaire, source importante de décohérence pour le qubit. Plus le temps de cohérence du spin augmente, plus la fidélité des opérations de calcul quantique et la capacité à effectuer une séquence complète d’opérations s’améliorent.

La recherche dans le domaine

La recherche fondamentale dans le domaine de l'information quantique a connu un essor important cette dernière décennie. Les enjeux dans ce domaine et la rupture technologique que présenterait un ordinateur quantique ont incité de grandes entreprises à investir d'importants moyens, en s'associant à des communautés scientifiques, ou en créant leurs propres laboratoires de recherche. L'association de Google avec I'Université de Californie de Santa Barbara ou la collaboration annoncée sur dix ans du groupe lntel avec l'université technologique de Delft illustrent l'engouement pour cette thématique de recherche et la nécessité de construire un véritable partenariat public-privé sur le long terme. Atos-Bull s'est aussi positionné activement sur la feuille de route de l'ordinateur quantique en réalisant un émulateur d'ordinateur quantique intégrant finement mémoire et calcul dans un serveur classique optimisé, et en créant une équipe spécialisée en logiciel adapté au quantique.

Plusieurs actions majeures à l’étranger (USA, Royaume-Uni, Pays-Bas, Danemark) impliquent dès aujourd’hui de très grands industriels (Google, Intel…) et mobilisent des financements de plusieurs dizaines de millions d’euros. Au niveau européen, un flagship sur l’ingénierie quantique a été décidé en 2016 et a démarré en 2018 avec l’ambition d’amener les technologies quantiques sur le marché. Le financement annoncé est d’au moins un milliard d’euros, apporté par la Commission européenne et les Etats membres sur dix ans.

Un grand nombre de voies de réalisation physique (1) est développé en parallèle. Aucun consensus ni aucun argumentaire robuste n’existe aujourd’hui sur la solution la plus adaptée pour réaliser un ordinateur quantique comprenant plus d’une dizaine de qubits. Tous les systèmes étudiés jusqu’à présent se sont en effet heurtés aux problèmes de décohérence et de complexité rapidement croissante des dispositifs quand le nombre de qubits augmente. En particulier, le problème de la correction d’erreurs est plus qu’ardu car ses difficultés sont d’ordre à la fois conceptuel et technologique, liant degrés de liberté, interactions, complexité, méthode d’adressage, méthode de mesure, décohérence. A ces questions s’ajoute la vaste problématique de l’algorithmique et de son implémentation pratique dans une architecture donnée (traitement des erreurs, langage de programmation…)

(1) A base d’atomes froids, d’ions ou d’atomes piégés, de centres NV, de photons, de supraconducteurs, de semi-conducteurs, …

 

Une chaire industrielle sur l’informatique quantique

Atos et le CEA ont inauguré le 22 mai dernier une chaire industrielle, co-financée par l’Agence nationale de la recherche (ANR), dans le but de développer la recherche et l’innovation en information quantique.

Portée par Daniel Estève, la chaire industrielle, baptisée « Nasniq » (Nouvelle architecture de spins nucléaires pour l'information quantique), a pour ambition de développer une voie hybride originale vers l’ordinateur quantique en combinant des systèmes microscopiques très quantiques avec des circuits électriques.

Les technologies quantiques représentent un enjeu de souveraineté qui nécessite aujourd’hui d'importants efforts de recherche et développement, couplant équipes académiques et entreprises.

La chaire industrielle Nasniq combinera les efforts de recherche fondamentale portés par l’équipe du Spec (CEA-CNRS) aux développements d’Atos sur la simulation algorithmique, renforçant par ailleurs les synergies entre toutes les activités du CEA dans ce domaine. En outre, la chaire assurera une veille technologique nécessaire dans l’appropriation de ce domaine innovant.

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