Début juillet, Google a annoncé qu'il étendrait ses services de cloud computing disponibles dans le commerce pour inclure l'informatique quantique. Un service similaire est disponible auprès d'IBM depuis mai. Ce ne sont pas des services que la plupart des gens ordinaires auront encore beaucoup de raisons d'utiliser. Mais rendre les ordinateurs quantiques plus accessibles aidera le gouvernement, des groupes de recherche universitaires et d'entreprise du monde entier poursuivent leur étude des capacités de l'informatique quantique.

Comprendre comment ces systèmes fonctionnent nécessite d'explorer un domaine de la physique différent de celui que la plupart des gens connaissent. Par expérience quotidienne, nous connaissons ce que les physiciens appellent « la mécanique classique, " qui régit la plus grande partie du monde que nous pouvons voir de nos propres yeux, comme ce qui se passe lorsqu'une voiture heurte un bâtiment, quel chemin prend une balle lorsqu'elle est lancée et pourquoi il est difficile de faire glisser une glacière sur une plage de sable.

Mécanique quantique, cependant, décrit le domaine subatomique - le comportement des protons, électrons et photons. Les lois de la mécanique quantique sont très différentes de celles de la mécanique classique et peuvent conduire à des résultats inattendus et contre-intuitifs, comme l'idée qu'un objet peut avoir une masse négative.

Physiciens du monde entier - au gouvernement, les groupes de recherche universitaires et d'entreprise – continuent d'explorer les déploiements réels de technologies basées sur la mécanique quantique. Et les informaticiens, y compris moi, cherchent à comprendre comment ces technologies peuvent être utilisées pour faire progresser l'informatique et la cryptographie.

Une brève introduction à la physique quantique

Dans nos vies ordinaires, nous sommes habitués aux choses existant dans un état bien défini :une ampoule est allumée ou éteinte, par exemple. Mais dans le monde quantique, les objets peuvent exister dans ce qu'on appelle une superposition d'états :une ampoule hypothétique de niveau atomique pourrait être simultanément allumée et éteinte. Cette étrange caractéristique a des ramifications importantes pour l'informatique.

La plus petite unité d'information en mécanique classique - et, donc, ordinateurs classiques - est le bit, qui peut contenir une valeur de 0 ou 1, mais jamais les deux à la fois. Par conséquent, chaque bit ne peut contenir qu'une seule information. De tels morceaux, qui peuvent être représentés comme des impulsions électriques, modifications des champs magnétiques, ou même un interrupteur physique marche-arrêt, constituent la base de tous les calculs, le stockage et la communication dans les ordinateurs et les réseaux d'information d'aujourd'hui.

Les qubits – bits quantiques – sont l'équivalent quantique des bits classiques. Une différence fondamentale est que, en raison de la superposition, les qubits peuvent contenir simultanément les valeurs 0 et 1. Les réalisations physiques des qubits doivent être intrinsèquement à l'échelle atomique :par exemple, dans le spin d'un électron ou la polarisation d'un photon.

Calculer avec des qubits

Une autre différence est que les bits classiques peuvent être exploités indépendamment les uns des autres :le basculement d'un bit à un emplacement n'a aucun effet sur les bits des autres emplacements. Qubits, cependant, peuvent être configurés à l'aide d'une propriété de mécanique quantique appelée intrication, de sorte qu'ils dépendent les uns des autres, même lorsqu'ils sont éloignés les uns des autres. Cela signifie que les opérations effectuées sur un qubit par un ordinateur quantique peuvent affecter plusieurs autres qubits simultanément. Cette propriété - apparentée à, mais pas la même chose que, traitement parallèle - peut rendre le calcul quantique beaucoup plus rapide que dans les systèmes classiques.

Ordinateurs quantiques à grande échelle, c'est-à-dire ordinateurs quantiques avec des centaines de qubits – n'existent pas encore, et sont difficiles à construire car ils nécessitent des opérations et des mesures à effectuer à l'échelle atomique. L'ordinateur quantique d'IBM, par exemple, compte actuellement 16 qubits, et Google promet un ordinateur quantique de 49 qubits – ce qui serait une avancée stupéfiante – d'ici la fin de l'année. (En revanche, les ordinateurs portables ont actuellement plusieurs gigaoctets de RAM, avec un gigaoctet étant huit milliards de bits classiques.)

Un outil puissant

Malgré la difficulté de construire des ordinateurs quantiques fonctionnels, les théoriciens continuent d'explorer leur potentiel. En 1994, Peter Shor a montré que les ordinateurs quantiques pouvaient résoudre rapidement les problèmes mathématiques complexes qui sous-tendent tous les systèmes de cryptographie à clé publique couramment utilisés, comme ceux qui fournissent des connexions sécurisées pour les navigateurs Web. Un ordinateur quantique à grande échelle compromettrait complètement la sécurité d'Internet telle que nous la connaissons. Les cryptographes explorent activement de nouvelles approches à clé publique qui seraient « résistantes quantiquement, " du moins pour autant qu'ils le sachent actuellement.

De façon intéressante, les lois de la mécanique quantique peuvent également être utilisées pour concevoir des cryptosystèmes qui sont, dans certains sens, plus sûrs que leurs analogues classiques. Par exemple, la distribution de clés quantiques permet à deux parties de partager un secret qu'aucun indiscret ne peut récupérer à l'aide d'ordinateurs classiques ou quantiques. Ces systèmes - et d'autres basés sur des ordinateurs quantiques - pourraient devenir utiles à l'avenir, soit à grande échelle, soit dans des applications plus spécialisées. Mais un défi majeur est de les faire travailler dans le monde réel, et sur de grandes distances.

Cet article a été initialement publié sur The Conversation. Lire l'article original.