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Le quantique entre dans l’industrie avec les technos NISQ

MANUEL MORAGUES
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Le quantique entre dans l’industrie avec les technos NISQ

Les ions piégés de l'université suisse d'Innsbruck font partie des qubits candidats au calcul quantique.

© Rainer Blatt

Les progrès réalisés ces dernières années dans l’informatique quantique poussent les industriels à évaluer les possibilités offertes par les systèmes de quelques qubits bruités des technologies NISQ.

Comme le diable est sorti de sa boîte, l’ordinateur quantique est sorti des labos. Pour se lancer à l’assaut de l’industrie. Après les pionniers qui se sont essayés à la machine du canadien D-Wave, tels Airbus et Volkswagen, une seconde vague d’industriels s’intéressent aujourd’hui à l’informatique quantique. Le succès du simulateur d’Atos, commercialisé depuis un an et demi, en témoigne.

« À côté des universités, que nous visions prioritairement, sont apparus d’autres types de clients, se félicite Philippe Duluc, le directeur technique big data et cybersécurité d’Atos. Des centres de recherche mais aussi des industriels, comme Bayer et Total, ont acheté nos machines. Et ce n’est pas fini. Nous avons beaucoup de contacts avec des industriels. » En France, Teratec, l’association dédiée à la simulation numérique haute performance, est en train de monter un groupe de travail sur le quantique avec une demi-douzaine de grands industriels.

Satisfaire des besoins toujours croissants de calcul

Si le quantique suscite un tel engouement, c’est que ses qubits exotiques promettent monts et merveilles pour le tri et la recherche de données, voire l’exécution d’algorithmes de deep learning, les problèmes d’optimisation, la simulation de molécules et des calculs comme la factorisation en nombres premiers, au cœur de la cryptographie.

Quand le numérique et en particulier la simulation envahissent toutes les activités économiques, l’ordinateur quantique se pose en outil stratégique. D’autant que les ordinateurs classiques s’essoufflent en termes de puissance. « Nous nous intéressons au calcul quantique au regard de l’évolution du calcul haute performance, avec la loi de Moore [loi empirique qui dispose que la puissance des processeurs double tous les dix-huit mois, ndlr] qui touche à sa fin, mais des besoins en calculs qui sont toujours en croissance », explique Stéphane Tanguy, d’EDF.

Bienvenue dans l'ère du NISQ

L’accélération des progrès technologiques au cours de ces trois dernières années, sous la houlette des géants du numérique tels que Google, IBM et Intel, mais aussi de start-up comme Rigetti ou d’institutions comme l’université d’Innsbruck, a précipité le mouvement. Pourtant, malgré la course au nombre de qubits – synonymes de puissance de calcul – largement médiatisée, l’ordinateur quantique universel reste encore un objectif lointain, probablement inatteignable avant au moins une décennie. La faute, notamment, à la difficulté de corriger les erreurs de qubits issues de perturbations – le bruit lié aux phénomènes de décohérence.

Qu’importe ! Nous sommes entrés dans l’ère du NISQ, comme l’a proclamé le physicien américain John Preskill en décembre 2017 dans une communication très remarquée. Le terme NISQ (noisy intermediate-scale quantum, ou quantique d’échelle intermédiaire bruité) désigne les technologies qui seront disponibles dans les prochaines années : des machines de 50 à 100 qubits sans correction d’erreur fiable qui ne seront certes pas capables de révolutionner le monde, mais qui pourront néanmoins réaliser certaines tâches au-delà des capacités des ordinateurs classiques.

Apprendre la programmation quantique

Atos y croit. « Nous avons annoncé, en juillet 2018, que nous avions l’intention de sortir un accélérateur quantique d’ici à 2023 qui serait de type Nisq », rappelle Philippe Duluc. « Nous nous inscrivons complètement dans cette approche, assure Henri Calandra, de Total. Ce sont sur ces technologies bruitées que l’on mise pour la simulation de molécules et les problèmes d’optimisation. »

Ces machines Nisq arrivant à grands pas, leurs futurs utilisateurs se lancent dans l’apprentissage de la programmation quantique. « Cela représente un vrai changement de paradigme, la question de la formation va être fondamentale », prévient Stéphane Tanguy. L’effort à réaliser vaudra d’autant plus la peine que derrière les avancées du hardware se cache une effervescence de la recherche en algorithmie. Algorithmes quantiques, hybrides ou classiques mais s’inspirant du quantique… Les idées fusent, les progrès sont majeurs. Le quantique n’est pas près de rentrer dans sa boîte.

La mécanique des quanta

Qubits

En informatique classique, le bit est le plus petit élément d’information. Il vaut soit 0, soit 1 et se matérialise par un transistor soit passant, soit bloquant. Pour l’ordinateur quantique, on parle de qubit, ou bit quantique. Un qubit correspond à un objet, comme un ion piégé ou une jonction à supraconducteur, qui obéit à la physique quantique et qui possède deux états caractéristiques, qu’on peut labelliser 0 et 1.

Superposition

Le comportement quantique du qubit fait qu’au lieu d’être soit dans l’état 0, soit dans l’état 1, il est dans un état qui est une superposition – un mélange – des états 0 et 1. En appliquant une opération logique au qubit, on l’applique donc simultanément à l’état 0 et à l’état 1, alors qu’avec un bit classique, il faudrait l’appliquer successivement à 0 puis à 1 pour traiter les deux valeurs possibles.

Puissance

L’avantage de cette simultanéité dans le traitement est d’autant plus grand que la quantité d’informations est élevée : un système de 10 qubits est dans un état superposition des 210 = 1 024 valeurs possibles d’un système de 10 bits classiques. Manipuler 10 qubits revient à manipuler en une seule fois 1 024 valeurs. Avec 30 qubits, c’est plus d’un milliard d’opérations simultanées... « C’est ce parallélisme massif qui est au cœur de la puissance de l’ordinateur quantique », pointe Eleni Diamanti, chercheuse du CNRS au laboratoire d’informatique de Paris 6.

Intrication

Reste à exploiter cette puissance. La lecture d’un qubit détruit sa superposition quantique  en le plongeant dans un seul état, 0 ou 1,  ce qui signifie perdre toute l’efficacité quantique. Les algorithmes doivent donc ruser pour profiter du parallélisme et extraire les résultats. Ils utilisent notamment l’intrication : un système de qubits en interaction forme un tout, qui est dans un état de superposition des différentes combinaisons des états individuels des qubits. Conséquence : toucher à un qubit modifie instantanément  les autres. De quoi projeter des qubits dans  les états correspondant au résultat d’un calcul en en modifiant d’autres.

Décohérence

C’est l’ennemi absolu ! La décohérence signifie la perte de la superposition quantique, donc de la puissance de calcul. Généralement liée aux perturbations de l’environnement, cette décohérence menace les qubits et leur intrication. Elle se traduit par des erreurs qu’il est  nécessaire de corriger en utilisant l’intrication et la redondance. Suivant les types de qubits, il peut falloir jusqu’à 10 000 qubits physiques pour former 1 qubit logique fiable.

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