Ordinateur quantique : les annonces s'enchaînent, est-on à l'aube d'une nouvelle révolution ?

2025, année internationale des sciences et technologies quantiques. C’est ce qu’annonçait il y a moins d’un mois l’Organisation des Nations unies pour l’éducation (UNESCO) à Paris. La date n’a pas été choisie au hasard, puisque 2025 marque "le 100ᵉ anniversaire du développement initial de la mécanique quantique".

Quelques semaines avant cela, Google a dévoilé une nouvelle puce quantique baptisée Willow. Et puis, Microsoft annonce cette semaine tabler sur la mise au point de son premier ordinateur quantique commercial - une machine à la puissance de calcul inédite - d’ici quelques années seulement, grâce à des avancées technologiques. "Cette avancée pourrait permettre aux ordinateurs quantiques de résoudre des problèmes à grande échelle en quelques années, au lieu de plusieurs décennies", explique la société.

Notons qu’il existe déjà des ordinateurs quantiques, mais leur capacité de calcul insuffisante et le taux d’erreur qu’ils génèrent n’offrent pas encore les conditions nécessaires pour une utilisation fiable.

Comment doit-on percevoir ces annonces ? Est-on à la veille d’une révolution ou s’agit-il d’effets d’annonces ? Et puis, surtout, que feront / permettront ces ordinateurs que ne peuvent pas faire les machines actuelles ? Décryptage avec Jérémie Roland, professeur à l’Unité de recherche – Quantum Information and Communication (QuIC) de l’Université libre de Bruxelles (ULB).

Une révolution ?

"C’est, on l’espère, une révolution à terme. Mais une révolution ne se fait pas du jour au lendemain, en tout cas pas en science", explique d’emblée Jérémie Roland. Et de rappeler que le concept même de l’ordinateur quantique a déjà été théorisé dans les années 80 par Richard Feynman. Ce grand physicien avait imaginé que pour résoudre certains problèmes, notamment la simulation de systèmes quantiques, il serait utile d’avoir un ordinateur, lui-même quantique.

"Au départ, la recherche se faisait surtout au sein des universités, mais elle a progressé petit à petit, jusqu’à commencer à intéresser les grands noms du domaine. Notamment : Google, Microsoft, IBM. Ces sociétés ont commencé à investir dans cette technologie en se disant qu’à terme, il y aurait sans doute, on l’espère, des débouchés."

Et puis, "une révolution, ça prend du temps et donc, peut-être que ce qui se passe aujourd’hui, c’est qu’on commence à avoir des résultats un peu plus tangibles et donc des choses que l’on peut plus facilement communiquer au grand public".

Quant à savoir si ces ordinateurs arriveront prochainement. "Je ne dis pas qu’ils ne vont pas y arriver, mais disons qu’il faut être très prudent. Il y a encore beaucoup de travail à faire avant d’arriver à quelque chose d’utile."

Une puissance de calcul inédite ?

Lorsqu’on imagine un ordinateur quantique, on visualise une machine possédant une puissance de calcul inégalée. Or, explique Jérémie Roland, "généralement, quand on pense à la puissance de calcul, on a en tête toujours notre ordinateur classique. Et ce qui fait sa puissance, c’est finalement sa rapidité. À quelle vitesse fonctionne son processeur interne et éventuellement de combien de mémoire (RAM) dispose-t-il ? Ce qu’il faut bien comprendre, c’est qu’un ordinateur quantique fonctionne de manière complètement différente. À priori, il (l'ordinateur quantique) ne va jamais être plus rapide que l'ordinateur classique pour certaines tâches. Parce que des tâches de base, comme réaliser une addition et une multiplication, un ordinateur quantique ne le fera pas plus rapidement qu’un ordinateur classique, parce que, tout simplement, il n’est pas fait pour ça."

L’ordinateur quantique ne va jamais remplacer l’ordinateur classique. Il y a certaines tâches pour lesquelles il ne produit aucun avantage, ou même il sera plus lent qu’un ordinateur classique

Par contre, explique le professeur de l’ULB "la raison pour laquelle on investit autant - et on pense que ça pourrait mener à une révolution -, c’est qu’il y a certaines tâches bien particulières pour lesquelles l’ordinateur quantique est un avantage de par sa manière de calculer".

Un peu de théorie

"Les principes de la physique classique  et plus généralement les concepts familiers, ceux auxquels la vie quotidienne nous confronte - ne sont pertinents que dans un monde limité. Aux portes de l'infiniment petit, ils semblent brutalement faire faillite", résume le physicien et philosophe Etienne Klein dans son ouvrage "Petit voyage dans le monde des quanta" (ed. Flammarion).

Ce constat déroutant est celui fait par des physiciens dont Max Planck et Albert Einstein au début du XXe siècle. À l'époque, les progrès scientifiques et technologiques permettent d'observer des phénomènes qui s'avèrent inexplicables avec les lois de la physique classique.

Si la technologie sur un ordinateur ou un téléphone actuel a beaucoup évolué depuis les débuts de l’informatique, la manière de calculer (le système binaire – des 1 et des 0) est toujours la même. La seule différence, c’est que les opérations se font plus vite en raison des progrès sur les composants, tels que les processeurs, mais aussi l’ajout de mémoire, etc.

Or, un ordinateur quantique fonctionne de manière fondamentalement différente, explique Jérémie Roland.

"Il va utiliser ce qu’on appelle des bits quantiques ou qubit (unité de base dans l’informatique quantique). Un bit classique (sur un ordinateur actuel) peut prendre deux valeurs : 0 ou 1. Alors qu’un bit quantique peut être en superposition de deux valeurs." Autrement dit : une particule peut avoir simultanément plusieurs positions, vitesses ou niveaux d'énergie différents. Des propriétés impensables dans le monde macroscopique.

L’expert fait alors référence à l’expérience de pensée du fameux "chat de Schrödinger". L'animal est enfermé dans une boîte avec une fiole de poison et que l'on est obligé de considérer à la fois comme vivant et mort En utilisant les probabilités. "L’idée c’est de mettre une particule dans cet état-là : en superposition de zéro ou un." "C’est ça la grosse différence, c’est qu’on va travailler sur des unités d’information qui sont fondamentalement différentes et donc on va pouvoir faire des calculs qui sont fondamentalement différents."

Outre la superposition, la mécanique quantique permet de prédire une autre propriété de l'infiniment petit : l'intrication. Si deux particules séparées dans l'espace ont interagi par le passé, elles restent liées : l'état (position, niveau d'énergie...) de l'une est indissociable de l'état de l'autre.

Des applications bien précises

Si éloignée de notre monde qu'elle puisse paraître, la physique quantique fait partie de notre quotidien: le transistor - composant-clé de tous les appareils électroniques qui permet d'amplifier un signal électrique -, le laser, l'IRM, les LEDs... sont nés grâce à elle.

Si tout ceci n’est pas évident, retenons que l’ordinateur quantique n’aura aucun avantage pour certains calculs, mais dans d’autres cas, bien spécifiques, l’avantage sera bien réel.

Énormément de problèmes font intervenir la physique quantique. Exemple en pharmacologie : "Le plus simple à comprendre qui pourrait avoir une application de tous les jours, c’est en chimie quantique. Notamment quand on va essayer de développer de nouveaux médicaments. On va développer des nouvelles molécules, les effets quantiques sont très importants. Et donc, si on veut pouvoir concevoir, étudier et simuler des molécules sur un ordinateur, eh bien on aurait intérêt à avoir un ordinateur quantique qui fera ça de manière plus efficace."

Autre application

À la fin des années 90, le mathématicien et professeur du Massachusetts Institute of Technology (MIT), Peter Williston Shor, découvre que l’on peut factoriser rapidement un grand nombre. "On peut se demande à quoi ça sert, mis à part pour des mathématiciens ? Eh bien jusqu’à il y a peu, et c’est heureusement en train de changer maintenant, toute la cryptographie sur internet était basée sur le fait qu’on ne savait pas comment factoriser un grand nombre sur un ordinateur classique. Et quand on a compris qu’avec l’ordinateur quantique, on pourrait factoriser un grand nombre, on a compris que plein de protocoles cryptographiques ne seraient plus sécurisés. Et donc c’est une des raisons pour lesquelles on est en train de mettre à jour les protocoles utilisés par Internet, parce qu’on prévoit qu’une fois qu’on aura des ordinateurs quantiques, eh bien tous ces codes ne seront plus sûrs."

L’ordinateur quantique commet encore des erreurs

L’une des grandes limitations des ordinateurs quantiques actuels, c’est qu’ils commettent encore des erreurs. Jusqu’à la fin des années 90, nombreux étaient les chercheurs qui pensaient qu’il était irréaliste de construire un ordinateur de ce type. Mais à cette époque, les codes d’erreurs quantiques ont été développés. L’espoir est donc à nouveau possible.

C’est ici que Google avec sa puce Willow a fait une avancée, note l’expert. "Pour la première fois, ils ont réussi à montrer une application de la correction d’erreur […] Mais ils ont fait cela avec un qubit. Après ça, il faudra le faire avec plusieurs qubits. On estime qu’il faut, peut-être, jusqu’à 1 million de qubits pour arriver à une application pratique des ordinateurs quantiques."

L’autre avancée, chez Microsoft cette fois-ci, c’est l’utilisation de qubits dits topologiques. "Ces qubits sont de manière naturelle plus résistants au bruit (aux erreurs donc)." Problème : "ils sont difficiles à produire et à manipuler". Si cela est confirmé "cela pourrait être le début d’une nouvelle approche pour résoudre le problème du bruit dans les ordinateurs quantiques"."

L’Europe dans la course ?

Si effectivement, il y a beaucoup de moyens outre-Atlantique, en Chine et dans d’autres pays, note le professeur de l’ULB, "ça ne veut pas dire que l’Europe est à la traîne. En tout cas, au niveau académique, il y a une recherche très importante qui se passe en Europe et on a des laboratoires de recherche qui sont vraiment à la pointe".

"Au niveau expérimental, c’est plus difficile. Parce que ça demande des moyens extraordinaires. Certains pays investissent beaucoup, y compris en Europe. En France, il y a un plan quantique qui permet de financer la recherche dans ce domaine-là. Au Royaume-Uni aussi […] mais c’est vrai qu’au niveau industriel et donc au niveau de la construction de l’appareil, de l’ordinateur quantique, c’est surtout dans les entreprises que ça se passe. Et à ce niveau-là, c’est surtout les entreprises nord américaines et chinoises qui ont les moyens de développer ça."

Notons que des start-up existent en Europe, mais "ayant moins de moyens, elles communiquent sans doute moins et peut-être qu’elles peuvent moins mettre en avant leurs résultats".