Le calcul quantique, entre promesses et prudence
Des machines qui calculent avec la superposition et l'intrication pourraient un jour simuler la chimie mieux que tous les supercalculateurs. Le chemin est encore long ; les capteurs quantiques, eux, servent déjà.
Un ordinateur ordinaire manipule des bits qui valent 0 ou 1. Un ordinateur quantique manipule des qubits, qui obéissent aux lois de la mécanique quantique et se comportent de façon déroutante. Cette différence pourrait permettre de résoudre certains problèmes hors de portée de toute machine classique. Elle rend aussi ces ordinateurs extraordinairement fragiles. Entre les annonces spectaculaires et la réalité des laboratoires, il faut faire le tri.
Superposition et intrication
Un qubit peut être un atome, un ion piégé, un photon, ou un minuscule circuit supraconducteur refroidi près du zéro absolu. Son état s'écrit
|\psi\rangle = \alpha\,|0\rangle + \beta\,|1\rangle, \qquad |\alpha|^2 + |\beta|^2 = 1.
C'est la superposition : tant qu'on ne le mesure pas, le qubit n'est ni 0 ni 1, mais une combinaison des deux, décrite par deux nombres \alpha et \beta. Quand on le mesure, on obtient 0 avec la probabilité |\alpha|^2, ou 1 avec la probabilité |\beta|^2, et la superposition est détruite.
Avec plusieurs qubits apparaît l'intrication : leurs états deviennent liés, au point qu'on ne peut plus décrire chacun séparément. Un registre de n qubits est décrit par 2^n nombres à la fois. Pour 300 qubits, c'est davantage que le nombre estimé d'atomes dans l'Univers observable.
Contrairement à une idée répandue, un ordinateur quantique n'essaie pas toutes les solutions en parallèle pour lire ensuite la bonne. La mesure ne livre qu'un seul résultat. Tout l'art des algorithmes quantiques consiste à faire interférer les possibilités, comme des vagues, pour que les mauvaises réponses s'annulent et que la bonne se renforce. Cela ne marche que pour certains problèmes bien structurés.
Le grand ennemi : l'erreur
Un qubit perd sa superposition au moindre contact avec son environnement : une vibration, un photon parasite, une fluctuation de température. Cette décohérence intervient en une fraction de seconde, et chaque opération ajoute ses propres erreurs. On ne peut pas non plus simplement copier un qubit pour le sauvegarder : la mécanique quantique l'interdit.
La parade est la correction quantique d'erreurs : on répartit l'information d'un qubit « logique » sur de nombreux qubits physiques, et l'on surveille en permanence certaines corrélations entre eux pour détecter les erreurs sans lire l'information elle-même. Mais cela ne fonctionne que si les qubits physiques sont déjà assez bons. Au-dessous d'un certain seuil de qualité, ajouter des qubits réduit les erreurs ; au-dessus, cela les aggrave.
C'est ce seuil que l'équipe de Google Quantum AI dit avoir franchi avec sa puce Willow, présentée fin 2024 et décrite dans la revue Nature : à mesure que le code correcteur grandit, le taux d'erreur du qubit logique diminue au lieu d'augmenter. C'est une étape réelle. Mais il faut la lire avec prudence : la puce compte environ une centaine de qubits physiques, quand les applications utiles en demanderaient sans doute des centaines de milliers, voire des millions. Les comparaisons avec les supercalculateurs, mises en avant dans la communication des entreprises, portent sur des problèmes de démonstration choisis pour favoriser la machine quantique, sans application pratique.
Ce qu'il pourra faire, et ce qu'il ne fera pas
Deux grandes applications sont démontrées sur le papier. En 1994, Peter Shor a montré qu'un ordinateur quantique pourrait factoriser de grands nombres beaucoup plus vite qu'un ordinateur classique, ce qui menacerait une partie des méthodes de chiffrement actuelles ; d'où le déploiement en cours de nouvelles méthodes dites post-quantiques. L'autre, sans doute la plus prometteuse, est la simulation de la matière : molécules, catalyseurs, matériaux, dont le comportement est lui-même quantique.
En revanche, un ordinateur quantique ne remplacera pas un ordinateur de bureau, n'accélérera pas un traitement de texte, et n'offre pas de gain spectaculaire pour la plupart des tâches courantes. Personne ne sait encore dater l'arrivée de machines tolérantes aux erreurs réellement utiles.
Et sur Terre ? Les capteurs quantiques, déjà là
La physique quantique sert déjà, sous une autre forme : la mesure. Les horloges atomiques, qui comptent les oscillations d'une transition entre deux niveaux d'énergie d'un atome, sont des capteurs quantiques ; sans elles, pas de GPS. L'horloge atomique spatiale de la NASA, testée en orbite de 2019 à 2021, n'a dérivé que de moins de quatre milliardièmes de seconde en plus de vingt jours, une stabilité supérieure d'un ordre de grandeur à celle des horloges des satellites GPS. Le Cold Atom Laboratory, installé sur la Station spatiale internationale en 2018, y a produit les premiers condensats de Bose-Einstein en orbite, des nuages d'atomes refroidis par laser à une infime fraction de degré au-dessus du zéro absolu, base de futurs capteurs de gravité et d'accélération.
La marche « Calculateur Quantique Corrigé » (voir la marche F-INT-16) prépare l'usage des futures machines tolérantes aux erreurs pour simuler des matériaux hors de portée des supercalculateurs, comme les supraconducteurs ou les membranes de voiles ; les chimistes des batteries et des engrais en seraient les premiers bénéficiaires. La question ouverte n'est plus de savoir si la correction d'erreurs fonctionne, mais combien de qubits, d'énergie et d'années il faudra pour qu'elle devienne rentable.