Comment fonctionne un ordinateur quantique ? Le guide simple.
Découvrez comment fonctionnent les qubits, la superposition et l'intrication, et pourquoi les ordinateurs quantiques pourraient transformer certains calculs.
INFORMATIQUETECHNOLOGIES AVANCÉES
Lucas GRANDIER
10/20/202611 min temps de lecture
Si vous souhaitez avant tout mieux comprendre le fonctionnement global d’un ordinateur classique , découvrez notre article Comment fonctionne un ordinateur ?
Sommaire
1. Bit classique et qubit : quelle différence ?
2. Comment fonctionne un qubit ?
3. Pourquoi les qubits peuvent-ils être utiles pour calculer ?
4. Que se passe-t-il lorsque plusieurs qubits travaillent ensemble ?
5. À quoi servent les ordinateurs quantiques ?
6. Pourquoi est-il si difficile de construire un ordinateur quantique ?
7. Un ordinateur quantique va-t-il remplacer les ordinateurs classiques ?
FAQ : les questions fréquentes sur les ordinateurs quantiques
Comment pourrait-on simuler une molécule complexe, concevoir de nouveaux matériaux ou résoudre certains problèmes mathématiques particulièrement difficiles ? Pour répondre à ces questions, les scientifiques explorent une technologie qui repose sur les lois de la physique quantique : l’ordinateur quantique.
Contrairement à un ordinateur classique, qui traite l’information avec des bits valant 0 ou 1, un ordinateur quantique utilise des qubits. Ces unités d’information peuvent être préparées dans des états particuliers, transformées par des opérations quantiques et combinées pour réaliser des calculs.
Mais qu’est-ce qui rend un qubit différent d’un bit classique ? Et comment cette différence peut-elle aider à résoudre un problème ?
Pour le comprendre, suivons le fonctionnement d’un qubit, puis découvrons comment plusieurs qubits peuvent travailler ensemble.
1. Bit classique et qubit : quelle différence ?
Pour comprendre l’informatique quantique, commençons par ce que nous connaissons déjà.
Dans un ordinateur classique, toutes les informations sont représentées à l’aide de bits. Chaque bit prend une valeur parmi deux possibilités : 0 ou 1.
Ces bits sont manipulés par des circuits électroniques qui exécutent les instructions des programmes. En combinant un très grand nombre de bits, un ordinateur peut effectuer des calculs, afficher des images ou faire fonctionner une application.
Un ordinateur quantique utilise lui aussi des unités d’information reposant sur deux états de référence, mais celles-ci sont appelées qubits, pour quantum bits.
La différence essentielle est qu’un qubit peut être préparé dans une superposition de ses états 0 et 1.
Concrètement, cela signifie que son état quantique n’est pas limité à l’état 0 ou à l’état 1 pris séparément. Il peut combiner les deux possibilités selon des proportions précises.
Cette propriété est au cœur du calcul quantique. Mais pour comprendre son intérêt, il faut voir ce que l’on peut faire avec un qubit.
2. Comment fonctionne un qubit ?
Imaginons un qubit que nous préparons initialement dans l’état 0. Nous allons lui appliquer différentes opérations pour observer comment son état évolue.
Étape 1 : préparer le qubit
Au début du calcul, l’ordinateur quantique prépare le qubit dans un état connu, ici 0.
Si nous le mesurons immédiatement, nous obtenons 0 dans le cas idéal.
Cette étape est comparable à l’initialisation d’une variable dans un programme classique : nous partons d’un état de départ connu avant d’effectuer des opérations.
Étape 2 : créer une superposition
L’ordinateur applique ensuite une opération appelée porte de Hadamard.
Une porte quantique est une opération qui transforme l’état d’un qubit, ou de plusieurs qubits. Elle joue un rôle comparable à une instruction informatique, même si son fonctionnement repose sur les règles de la physique quantique.
Dans notre exemple, la porte de Hadamard transforme le qubit initialement dans l’état 0 en une superposition équilibrée des états 0 et 1.
Que se passe-t-il si nous mesurons le qubit à ce moment-là ?
Dans le modèle idéal, nous avons 50 % de chances d’obtenir 0 et 50 % de chances d’obtenir 1.
Attention toutefois : cela ne signifie pas que nous pouvons lire les deux résultats simultanément. La mesure fournit un seul résultat classique. La superposition décrit l’état quantique qui existe avant cette mesure.
Alors, pourquoi créer une superposition si nous ne pouvons pas récupérer toutes les possibilités en même temps ?
C’est là que les opérations quantiques prennent toute leur importance.
Étape 3 : transformer l’état du qubit
Après avoir créé une superposition, l’ordinateur peut appliquer d’autres portes quantiques.
Ces opérations modifient l’état du qubit. Elles peuvent notamment changer les probabilités associées aux résultats et les relations de phase entre les composantes de son état.
La phase est une propriété quantique qui ne correspond pas directement à un résultat visible comme 0 ou 1. Pourtant, elle joue un rôle essentiel : elle influence la manière dont les différentes composantes se combinent lorsque d’autres opérations sont appliquées.
Reprenons notre exemple. Si nous appliquons une deuxième porte de Hadamard au qubit placé en superposition, nous le ramenons à l’état 0 dans le cas idéal.
Si nous le mesurons alors, nous obtenons 0 avec une probabilité de 100 %.
Nous avons donc commencé avec un qubit dans l’état 0, créé une superposition, puis appliqué une autre opération pour retrouver l’état 0.
Cet exemple simple montre que le calcul quantique ne consiste pas seulement à créer des superpositions : il repose sur la manière dont les opérations transforment les états quantiques.
Étape 4 : mesurer le résultat
À la fin du calcul, l’ordinateur mesure les qubits pour obtenir des résultats classiques, comme des 0 et des 1.
Le résultat dépend de l’état quantique obtenu après toutes les opérations réalisées.
Pour un calcul utile, les opérations doivent être soigneusement choisies afin que les résultats recherchés aient une probabilité suffisamment élevée d’apparaître lors de la mesure.
Le principe à retenir : un qubit n’est pas une boîte qui contient deux réponses que l’on peut lire à volonté. C’est un système quantique dont l’état peut être préparé et transformé pour réaliser un calcul.
3. Pourquoi les qubits peuvent-ils être utiles pour calculer ?
Nous savons maintenant comment un qubit évolue au cours d’un calcul. Mais cette propriété ne suffit pas, à elle seule, à rendre un ordinateur quantique plus performant.
Son intérêt vient notamment de deux phénomènes : la superposition et l’interférence quantique.
La superposition : combiner plusieurs possibilités
Un qubit peut se trouver dans une superposition des états 0 et 1. Avec plusieurs qubits, le système peut combiner un nombre croissant d’états de référence.
Par exemple :
1 qubit correspond à 2 états de référence
2 qubits correspondent à 4 états de référence
3 qubits correspondent à 8 états de référence
10 qubits correspondent à 1 024 états de référence
Plus généralement, un système de (n) qubits possède un espace d’états de dimension (2^n).
Cette croissance est impressionnante. Mais elle ne signifie pas que l’ordinateur peut récupérer toutes ces possibilités en une seule mesure. Une mesure fournit un résultat classique, pas la liste complète des états composant la superposition.
L’enjeu est donc de transformer ces états avant la mesure, de façon à obtenir une information utile.
L’interférence : favoriser certains résultats
Pour comprendre ce mécanisme, prenons une analogie avec les vagues.
Lorsque deux vagues se rencontrent, elles peuvent se renforcer ou s’atténuer selon la manière dont elles se combinent.
En mécanique quantique, les différentes composantes d’un état peuvent également se combiner. C’est ce que l’on appelle l’interférence quantique.
Certaines contributions peuvent se renforcer, tandis que d’autres peuvent s’annuler. Un algorithme quantique exploite ces effets pour modifier les probabilités des résultats finaux.
L’objectif n’est pas d’essayer toutes les réponses puis de lire directement la bonne. Il s’agit de concevoir une succession d’opérations qui augmente la probabilité des résultats recherchés.
Ce mécanisme est l’une des raisons pour lesquelles certains algorithmes quantiques peuvent résoudre des problèmes spécifiques plus efficacement que les meilleures méthodes classiques connues.
4. Que se passe-t-il lorsque plusieurs qubits travaillent ensemble ?
Jusqu’ici, nous avons suivi un seul qubit. Or, les ordinateurs quantiques en utilisent plusieurs pour réaliser des calculs plus complexes.
Avec deux bits classiques, nous pouvons représenter quatre combinaisons possibles : 00, 01, 10 et 11.
Deux qubits peuvent également être dans une superposition de ces quatre états de référence. Les opérations quantiques peuvent les transformer ensemble et créer des relations entre eux qui n’existent pas dans un système de bits indépendants.
L’intrication quantique
L’un de ces phénomènes est appelé intrication quantique.
Lorsque plusieurs qubits sont intriqués, leur état global ne peut pas être décrit comme une simple combinaison d’états indépendants pour chaque qubit.
Imaginons deux qubits dans un état intriqué qui, lorsqu’ils sont mesurés dans une base donnée, donnent les résultats 00 ou 11. Dans cet exemple idéal, les deux résultats sont équiprobables.
Nous observons alors des résultats corrélés : lorsque le premier qubit donne 0, le second donne également 0 et lorsqu’il donne 1, le second donne également 1.
Cette corrélation ne signifie pas que chaque qubit possède simplement une valeur classique cachée que nous ignorons. Elle résulte de l’état quantique partagé par les deux qubits.
L’intrication est une ressource importante pour certains calculs quantiques. Toutefois, elle ne garantit pas automatiquement qu’un problème sera résolu plus rapidement.
C’est la combinaison des opérations quantiques, de la superposition, de l’interférence et, selon les algorithmes, de l’intrication qui peut permettre d’obtenir un avantage.
5. À quoi servent les ordinateurs quantiques ?
Maintenant que nous comprenons le principe, une question se pose : quels problèmes peuvent réellement bénéficier de cette technologie ?
Les ordinateurs quantiques ne sont pas plus efficaces pour toutes les tâches. Leur intérêt se concentre sur certaines catégories de problèmes.
Simuler des molécules et découvrir de nouveaux matériaux
Les atomes et les molécules obéissent eux-mêmes aux lois de la physique quantique.
Les simuler avec précision peut demander des ressources considérables à un ordinateur classique, en particulier lorsque les interactions deviennent complexes.
Un ordinateur quantique pourrait permettre de mieux modéliser certaines molécules, d'étudier des réactions chimiques ou d'explorer des matériaux possédant des propriétés particulières.
Ces applications sont particulièrement prometteuses pour la recherche scientifique, mais leur potentiel dépend encore des performances des machines et des algorithmes disponibles.
Faire progresser la recherche pharmaceutique
La conception de médicaments nécessite notamment de comprendre les interactions entre molécules.
Les calculs quantiques pourraient contribuer à certaines simulations chimiques difficiles. Ils ne remplaceraient cependant ni les expériences en laboratoire ni les essais nécessaires pour vérifier l'efficacité et la sécurité d'un traitement.
Modifier certaines méthodes de cryptographie
Certains algorithmes quantiques peuvent résoudre des problèmes mathématiques précis plus efficacement que les méthodes classiques connues.
L'exemple le plus célèbre est l'algorithme de Shor, qui pourrait permettre à un ordinateur quantique suffisamment puissant de factoriser de grands entiers et de menacer certains systèmes cryptographiques actuels.
Les ordinateurs quantiques disponibles aujourd'hui ne peuvent pas pour autant casser instantanément toutes les protections informatiques. Des machines beaucoup plus fiables et puissantes seraient nécessaires pour certaines attaques à grande échelle.
C'est pourquoi des méthodes de cryptographie post-quantique sont développées pour résister aux attaques quantiques connues.
Résoudre certains problèmes d'optimisation
Les chercheurs étudient aussi des applications en logistique, en finance et dans d'autres domaines qui impliquent de nombreuses possibilités.
Il faut toutefois rester prudent : un problème complexe n'est pas automatiquement plus facile à résoudre avec un ordinateur quantique. Un avantage réel doit être démontré pour chaque application.
6. Pourquoi est-il si difficile de construire un ordinateur quantique ?
Si les principes du calcul quantique peuvent être expliqués simplement, leur mise en œuvre est extrêmement délicate.
Un qubit doit conserver son état quantique et être manipulé avec une grande précision. Or, il est sensible aux interactions involontaires avec son environnement.
Ces interactions peuvent perturber le calcul et dégrader les propriétés quantiques nécessaires : c'est le phénomène de décohérence.
Des technologies très exigeantes
Plusieurs approches sont explorées pour fabriquer des qubits, notamment :
les circuits supraconducteurs
les ions piégés par des champs électromagnétiques
les atomes neutres
les photons
Chaque technologie possède ses propres avantages et contraintes.
Certains ordinateurs quantiques à circuits supraconducteurs doivent être refroidis à des températures extrêmement basses, proches du zéro absolu. D'autres systèmes utilisent des dispositifs physiques différents, mais tous doivent contrôler les qubits avec une grande précision.
La correction des erreurs
Les opérations quantiques et les mesures ne sont pas parfaites. Des erreurs peuvent apparaître pendant le calcul.
Pour les limiter, les chercheurs développent des méthodes de correction d'erreurs quantiques. Elles reposent généralement sur plusieurs qubits physiques pour protéger une unité d'information appelée qubit logique.
Cela demande beaucoup de ressources matérielles et représente l'un des grands défis du domaine. Construire un ordinateur quantique réellement utile ne consiste donc pas simplement à augmenter le nombre de qubits : il faut également pouvoir les contrôler et corriger leurs erreurs.
7. Un ordinateur quantique va-t-il remplacer les ordinateurs classiques ?
Non, car les deux technologies répondent à des besoins différents.
Les ordinateurs classiques sont très performants pour les tâches quotidiennes : naviguer sur Internet, exécuter des logiciels, jouer à des jeux vidéo ou traiter des documents.
Les ordinateurs quantiques sont conçus pour certaines catégories de calculs qui peuvent tirer parti des propriétés quantiques.
À l'avenir, ils pourraient fonctionner en complément de supercalculateurs classiques. Un ordinateur classique gérerait les tâches habituelles et préparerait les données, tandis qu'un processeur quantique effectuerait certains calculs spécialisés lorsqu'un avantage pertinent est possible.
Cette complémentarité dépendra des progrès du matériel, de la correction d'erreurs et de la mise au point d'algorithmes réellement utiles.
FAQ : les questions fréquentes sur les ordinateurs quantiques
Un qubit vaut-il 0 et 1 en même temps ?
Un qubit peut être dans une superposition des états 0 et 1. Mais lorsqu'il est mesuré dans la base habituelle, un seul résultat classique est obtenu. La superposition décrit l'état quantique avant la mesure ; elle ne permet pas de lire deux réponses simultanément.
Un ordinateur quantique est-il plus rapide qu'un ordinateur classique ?
Pas systématiquement. Son avantage dépend du problème et de l'algorithme utilisé. Pour de nombreuses tâches quotidiennes, un ordinateur classique reste la solution la plus adaptée.
Pourquoi faut-il parfois refroidir un ordinateur quantique ?
Certains qubits, notamment ceux réalisés avec des circuits supraconducteurs, nécessitent des températures extrêmement basses pour conserver les propriétés physiques indispensables à leur fonctionnement.
Peut-on utiliser un ordinateur quantique chez soi ?
Il n'est pas réaliste de fabriquer chez soi un ordinateur quantique généraliste comparable aux machines de laboratoire. En revanche, des simulateurs et des plateformes en ligne permettent d'apprendre à programmer des circuits quantiques et, dans certains cas, de les exécuter sur de véritables machines accessibles à distance.
Conclusion
Un ordinateur quantique ne fonctionne pas comme un ordinateur classique simplement plus rapide. Il utilise des qubits dont les états peuvent être mis en superposition, transformés par des opérations quantiques et combinés grâce à des phénomènes comme l'interférence et l'intrication.
La mesure fournit finalement un résultat classique. Toute la difficulté consiste à préparer et transformer les états quantiques de manière à rendre les résultats recherchés suffisamment probables.
Cette approche pourrait faire progresser la simulation de molécules, la recherche de nouveaux matériaux et certains calculs mathématiques. Mais les ordinateurs quantiques restent confrontés à d'importants défis techniques, notamment la fragilité des qubits et la correction des erreurs.
L'informatique quantique ne remplacera donc pas l'informatique classique dans son ensemble. Elle pourrait plutôt devenir un outil complémentaire, particulièrement précieux pour résoudre certains problèmes difficiles.
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