Les ordinateurs quantiques devraient être perturbateurs et avoir un impact potentiel sur de nombreux secteurs industriels. Des chercheurs du Royaume-Uni et des Pays-Bas ont donc décidé d'explorer deux problèmes quantiques très différents :casser le cryptage du Bitcoin (une monnaie numérique) et simuler la molécule responsable de la fixation biologique de l'azote.

Dans AVS Science Quantique , les chercheurs décrivent un outil qu'ils ont créé pour déterminer la taille d'un ordinateur quantique nécessaire pour résoudre des problèmes comme ceux-ci et combien de temps cela prendra.

"La majorité des travaux existants dans ce domaine se concentrent sur une plate-forme matérielle particulière, les dispositifs supraconducteurs, comme ceux vers lesquels IBM et Google travaillent", a déclaré Mark Webber, de l'Université du Sussex. "Les différentes plates-formes matérielles varieront considérablement en fonction des spécifications matérielles clés, telles que le taux d'opérations et la qualité du contrôle sur les qubits (bits quantiques)."

Bon nombre des cas d'utilisation les plus prometteurs de l'avantage quantique nécessiteront un ordinateur quantique à correction d'erreur. La correction d'erreurs permet d'exécuter des algorithmes plus longs en compensant les erreurs inhérentes à l'intérieur de l'ordinateur quantique, mais cela se fait au prix de plus de qubits physiques.

Extraire l'azote de l'air pour fabriquer de l'ammoniac pour les engrais est extrêmement énergivore, et des améliorations du processus pourraient avoir un impact à la fois sur la pénurie alimentaire mondiale et sur la crise climatique. La simulation de molécules pertinentes dépasse actuellement les capacités des supercalculateurs les plus rapides au monde, mais devrait être à la portée des ordinateurs quantiques de nouvelle génération.

"Notre outil automatise le calcul de la surcharge de correction d'erreurs en fonction des principales spécifications matérielles", a déclaré Webber. "Pour accélérer l'exécution de l'algorithme quantique, nous pouvons effectuer plus d'opérations en parallèle en ajoutant plus de qubits physiques. Nous introduisons des qubits supplémentaires si nécessaire pour atteindre le temps d'exécution souhaité, qui dépend de manière critique du taux d'opérations au niveau du matériel physique."

La plupart des plates-formes matérielles informatiques quantiques sont limitées, car seuls les qubits situés les uns à côté des autres peuvent interagir directement. Dans d'autres plates-formes, telles que certaines conceptions d'ions piégés, les qubits ne sont pas dans des positions fixes et peuvent à la place être déplacés physiquement, ce qui signifie que chaque qubit peut interagir directement avec un large éventail d'autres qubits.

"Nous avons exploré comment tirer le meilleur parti de cette capacité à connecter des qubits distants, dans le but de résoudre les problèmes en moins de temps avec moins de qubits", a déclaré Webber. "Nous devons continuer à adapter les stratégies de correction d'erreurs pour exploiter les atouts du matériel sous-jacent, ce qui peut nous permettre de résoudre des problèmes à fort impact avec un ordinateur quantique de plus petite taille que ce qui avait été supposé auparavant."

Les ordinateurs quantiques sont exponentiellement plus puissants pour casser de nombreuses techniques de cryptage que les ordinateurs classiques. Le monde utilise le cryptage RSA pour la plupart de ses communications sécurisées. Le cryptage RSA et celui utilisé par Bitcoin (algorithme de signature numérique à courbe elliptique) seront un jour vulnérables à une attaque informatique quantique, mais aujourd'hui, même le plus grand supercalculateur ne pourrait jamais constituer une menace sérieuse.

Les chercheurs ont estimé la taille qu'un ordinateur quantique doit avoir pour casser le cryptage du réseau Bitcoin dans le court laps de temps où il constituerait une menace pour le faire, entre son annonce et son intégration dans la blockchain. Plus les frais payés sur la transaction sont élevés, plus cette fenêtre sera courte, mais elle varie probablement de quelques minutes à plusieurs heures.

"Les ordinateurs quantiques de pointe n'ont aujourd'hui que 50 à 100 qubits", a déclaré Webber. "Notre besoin estimé de 30 [million] à 300 millions de qubits physiques suggère que Bitcoin devrait être considéré comme à l'abri d'une attaque quantique pour le moment, mais les appareils de cette taille sont généralement considérés comme réalisables, et les progrès futurs pourraient encore réduire les exigences.

"Le réseau Bitcoin pourrait effectuer un "hard-fork" sur une technique de cryptage quantique, mais cela peut entraîner des problèmes de mise à l'échelle du réseau en raison d'un besoin accru en mémoire."

Les chercheurs soulignent le taux d'amélioration des algorithmes quantiques et des protocoles de correction d'erreurs.

"Il y a quatre ans, nous avons estimé qu'un dispositif à ions piégés aurait besoin d'un milliard de qubits physiques pour casser le cryptage RSA, nécessitant un dispositif d'une superficie de 100 mètres carrés sur 100 mètres carrés", a déclaré Webber. "Maintenant, avec des améliorations à tous les niveaux, cela pourrait entraîner une réduction spectaculaire à une superficie de seulement 2,5 x 2,5 mètres carrés."

Un ordinateur quantique à grande échelle avec correction d'erreurs devrait être capable de résoudre des problèmes importants que les ordinateurs classiques ne peuvent pas résoudre.

"La simulation de molécules a des applications pour l'efficacité énergétique, les batteries, les catalyseurs améliorés, les nouveaux matériaux et le développement de nouveaux médicaments", a déclaré Webber. "D'autres applications existent dans tous les domaines, notamment pour la finance, l'analyse de données volumineuses, le flux de fluides pour la conception d'avions et les optimisations logistiques."