Quantum Valley

L'épicentre de la prochaine révolution informatique, qui changera la vie des générations futures, se trouve plus près que vous ne le pensez...

En 1983, Raymond Laflamme  a failli abandonner ses études supérieures. Le programme de l’Université de Cambridge était si ardu que le jeune physicien talentueux devait étudier jour et nuit. Mais ses efforts intensifs ont porté fruit : à peine diplômé, il a appris que le professeur Stephen Hawking voulait le rencontrer!

Au cours de la première année où il a travaillé avec M. Hawking, il a été absorbé par un problème particulièrement épineux : qu’arriverait-il de l’écoulement du temps si l’univers cessait de prendre de l’expansion et commençait à se contracter? M. Hawking croyait que le temps s’écoulerait à rebours, « mais mes calculs ne donnaient jamais ce résultat », se rappelle M. Laflamme. À chaque rencontre, M. Hawking suggérait une approche légèrement différente, mais quelle qu’ait été la formulation des équations, M. Laflamme obtenait toujours la même réponse : le temps continuerait d’avancer. M. Hawking a fini par admettre qu’il s’était trompé, ce qu'il dit dans son ouvrage Une brève histoire du temps.

Après avoir étudié pendant des années l’univers en expansion, M. Laflamme s’est intéressé à l’infiniment petit. Quelle est la nature du monde quantique? Peut-on manipuler l’information en utilisant les règles de la mécanique quantique? Les travaux de M. Laflamme réalisés à Cambridge et portant sur l’espace, le temps et l’univers étaient ambitieux et poussés, mais les résultats demeuraient abstraits. Par contre, ses travaux actuels sur les ordinateurs quantiques pourraient changer la donne informatique. « Nous avons trouvé un type de machine entièrement nouveau, dit-il, capable d’accomplir des tâches que nous n’aurions jamais crues possibles. »

Originaire de la ville de Québec, M. Laflamme, âgé de 54 ans, vit maintenant à Waterloo, en Ontario, où il est directeur de l’Institute for Quantum Computing (IQC), établi sur le campus de l’Université de Waterloo. L’IQC a été fondé en 2002 à l’initiative du milliardaire Mike Lazaridis, fondateur de BlackBerry (auparavant Research in Motion). Conscient du potentiel de l’informatique quantique, ce dernier s’est joint à David Johnson, alors président de l’Université de Waterloo, pour mettre sur pied un institut consacré à l’étude scientifique de ce nouveau domaine.

Notons que M. Lazaridis avait déjà fondé le Perimeter Institute for Theoretical Physics, également situé à Waterloo. Financé par les gouvernements fédéral et ontarien, par l’Université de Waterloo, ainsi que par des partenaires privés et par M. Lazaridis lui-même, l’IQC a rapidement été fonctionnel. M. Laflamme a été nommé directeur, tandis que Michele Mosca, mathématicien fraîchement diplômé de l’Université de Waterloo, est devenu directeur adjoint.

En 2012, l’établissement s’est installé dans un nouvel immeuble de 285 000 pi2, construit au coût de 160 M$ et appelé le Mike & Ophelia Lazaridis Quantum-Nano Centre.

Les chercheurs de l’IQC sont les chefs de file au Canada dans le domaine quantique, mais ils ne sont pas les seuls à s’intéresser activement au monde subatomique. Certaines entreprises mondiales, dont Google et Lockheed Martin, se sont mises de la partie, de même que le Royaume-Uni, l’Union européenne, la Suisse, l’Australie, le Japon et les États-Unis.

Selon les renseignements dévoilés par Edward Snowden l’an dernier, la National Security Agency aurait investi 80 M$ US dans un programme d’informatique quantique appelé Penetrating Hard Targets.

Afin de comprendre pourquoi on mise autant sur la création d’un ordinateur quantique, il convient de faire un bref tour d’horizon du domaine quantique. Dans le monde réel, que les physiciens appellent « monde classique », on sait habituellement où se trouvent les choses et dans quel sens elles se déplacent. Mais quand on y regarde quelques milliards de fois plus près, la réalité n’est plus la même.

À l’échelle quantique, une particule peut se trouver à deux endroits, ou plutôt dans deux états à la fois. On appelle ce phénomène « superposition ». Il en va de même des bits utilisés dans les ordinateurs. En informatique classique, un bit peut correspondre à zéro ou à un. Mais un bit quantique, ou « qubit », peut être à la fois zéro et un.

Grâce à la superposition, on peut utiliser les qubits pour effectuer simultanément un nombre immense de calculs. En outre, comme la puissance d’un ordinateur quantique augmente exponentiellement en fonction du nombre de qubits en mémoire (deux qubits permettent d’effectuer quatre calculs à la fois; trois en permettent huit; quatre en permettent seize, etc.), elle offre une augmentation exponentielle de la puissance de calcul par rapport aux ordinateurs d’aujourd’hui.

« Si nous avions un petit ordinateur quantique de 40 à 50 qubits, nous pourrions faire des calculs que ne permettraient pas tous les ordinateurs classiques de la planète, estime M. Laflamme. Les possibilités sont époustouflantes. » L’une des applications dont on parle le plus souvent relève de la cryptographie. Une bonne part de l’information qui circule aujourd’hui sur Internet (achats par carte de crédit, dossiers médicaux et administratifs, etc.) est sécurisée au moyen d’une méthode appelée « codage RSA ». Celle-ci repose sur de simples notions de multiplication et de division.

Supposons qu’on prend deux nombres premiers comportant chacun des centaines de chiffres et qu’on les multiplie. L’opération est facile; n’importe quel ordinateur peut calculer le produit. Mais si l’on connaît seulement le produit, il est impossible de procéder à rebours pour trouver les deux facteurs premiers; aucun ordinateur ordinaire n’est à la hauteur. Par contre, un ordinateur quantique y arriverait, ce qui rendrait désuets les codes les plus sûrs d’aujourd’hui. La théorie quantique amène donc certains chercheurs à envisager de nouveaux types de codes qui seraient indéchiffrables. Parmi les autres applications potentielles, on mentionne le développement de médicaments, l’imagerie médicale, la gestion de base de données et l’intelligence artificielle.

Toutefois, le parcours s’avère long entre la théorie et la pratique. Tout d’abord, on ignore encore quelle forme donner à un qubit. En informatique classique, on choisit habituellement des électrons, ou plutôt les impulsions de milliers d’électrons dont chacun porte une charge électrique, et la manipulation de groupes d’électrons est assez simple. Les ingénieurs ont conçu des « portes logiques » (petits circuits électroniques) pour manipuler ces groupes d’électrons, ce qui permet de construire des circuits capables de mettre en œuvre des algorithmes. Les premières portes logiques utilisaient des tubes à vide, remplacés plus tard par des transistors. Or, les qubits doivent être en état de superposition, ce qui complique grandement les choses. Les photons (particules de lumière), les ions (atomes portant une charge électrique) et les supraconducteurs (des matériaux, habituellement des métaux, sur-refroidis portant des courants électriques sans aucune perte) sont des possibilités envisagées pour les qubits.

« Il faudra un certain temps pour déterminer la meilleure architecture à adopter », souligne Aephraim Steinberg, physicien à l’Université de Toronto.

Un autre problème tient à la grande fragilité des états quantiques. Si on les manipule, même légèrement, ils cessent de présenter des propriétés quantiques et se comportent comme une matière classique ordinaire; on parle alors de « décohésion ». Il faut pourtant les manipuler pour entrer et extraire de l’information, autrement dit, pour calculer.

À cela s’ajoute le problème de la correction d’erreurs. Chaque fois qu’on traite un bit, il existe un risque d’erreur. L’ordinateur classique contourne le problème au moyen de la redondance : au lieu d’effectuer un calcul une seule fois, il le fait de multiples fois pour s’assurer d’obtenir toujours le même résultat. Un ordinateur quantique peut calculer avec moins de bits (chaque qubit étant très puissant), mais chaque qubit est aussi beaucoup plus vulnérable à l’erreur. Des progrès quantifiables ont cependant été faits : « Nous sommes passés de quelques qubits avec environ 10 % d’erreur il y a dix ans à 0,01 % d’erreur pour une douzaine de qubits aujourd’hui », précise M. Laflamme.

Si la recherche menée à l’IQC relève encore de la science pure (la découverte pour elle-même), M. Laflamme soutient qu’elle donnera des résultats. « Au cours des dix prochaines années, nous voulons tirer parti de l'informatique quantique, la transformer en technologie pour ainsi la commercialiser », affirme-t-il. Cette science pourrait révolutionner les domaines dans lesquels on doit traiter de gigantesques quantités de données.

Lockheed Martin, par exemple, l’utilise déjà pour tester le logiciel de pilotage de son avion à réaction. Selon les spécialistes des transports qui étudient les mouvements d’avions, de trains et d’automobiles, elle pourrait améliorer considérablement les analyses de la circulation aérienne et routière. On dit également que Google utilise des ordinateurs quantiques pour permettre à ses voitures autonomes de traiter, à chaque seconde, une énorme quantité de données en temps réel afin de rouler en toute sécurité.

D’autres percées potentielles, encore à l’étude, défient vraiment l’imagination. Prenons la téléportation quantique, par exemple. Si la science est à des années-lumière des téléporteurs de la série Star Trek, des scientifiques néerlandais ont cependant réussi, l’an dernier, à téléporter de l’information d’un qubit à un autre sur une distance de plusieurs mètres. (Ce sont les données sur l’état quantique qui sont téléportées, et non la matière physique.)

Il est clair que le Canada a pris une longueur d’avance en matière d’informatique quantique. Lorsque des institutions d’autres pays commençaient à peine à en faire un domaine d’étude il y a une dizaine d’années, la recherche au Canada allait déjà bon train. L’Université de Waterloo et l’IQC mènent le bal, mais on poursuit aussi des travaux importants à l’Université de Toronto, à l’Université de Calgary, à l’Université Simon Fraser et ailleurs.

À l’échelle nationale, l’Institut canadien de recherches avancées a lancé un programme d’informatique quantique dont M. Laflamme est le directeur. « Comme le reste du monde commence à peine à aborder ce domaine, nous avons un avantage », affirme-t-il. On qualifie même le Canada, et l’Université de Waterloo en particulier, de « Quantum Valley », c’est-à-dire d’épicentre de la prochaine révolution informatique, comme le rapporte le site Web de l’IQC.

« Le Canada joue dans la cour des grands », estime Scott Aaronson, informaticien au Massachusetts Institute of Technology (MIT) et blogueur scientifique, ajoutant qu’il se fait davantage de recherche quantique en Ontario qu’au MIT. « Je crois que Mike Lazaridis est un grand visionnaire, poursuit-il. L’Université de Waterloo, qui était pratiquement absente dans ce domaine d’étude, est le plus grand centre mondial de recherche en informatique quantique. »

Lorsque le physicien Martin Laforest était étudiant de premier cycle à l’Université McGill, il a assisté à une conférence de M. Laflamme et s’est immédiatement passionné pour l’informatique quantique.

Maintenant âgé de 34 ans, il est directeur de la sensibilisation scientifique à l’IQC. Il y a quelques mois, il m’a fait visiter les nombreux laboratoires de l’institut. Il m’a montré d’immenses salles remplies de contenants d’azote liquide, d’autres salles où des panneaux jaunes signalent la présence de puissants champs magnétiques et d’autres encore où résonnent d’étranges bourdonnements. Une « salle blanche », qui sert à la préparation des matières, baigne dans une lumière rose orangé. Le dernier laboratoire visité abrite un énorme ensemble de tubes et de tambours en acier poli s’étendant sur une dizaine de mètres et bifurquant en tous sens, apparemment composé d’éléments disparates mais formant pourtant un tout unifié. Tout autour du périmètre se trouvent des jauges, des cadrans et des câbles. Nous sommes en présence du système Omicron-Oxford. Construit au coût de cinq millions de dollars, ce système est conçu pour le dépôt sous ultravide : il s’agit d’une méthode de production de matières quantiques sous forme de cristaux et de couches minces, une couche d’atomes à la fois. Ces couches minces, qu’on trouve dans les puces des ordinateurs et dans les microcapteurs actuels, devraient jouer un rôle important dans les futurs dispositifs quantiques.

Toutefois, c’est l’ordinateur quantique qui constitue l’objectif essentiel de l’informatique quantique. La plupart des chercheurs affirment y travailler, mais D-Wave Systems, une société de Burnaby, en Colombie-Britannique, assure avoir déjà construit un ordinateur quantique de 512 qubits, faisant pâlir les quelque 12 qubits sur lesquels travaillent les physiciens de l’IQC. D-Wave a vendu un de ses méga-ordinateurs à la NASA, un autre à Lockheed Martin (selon le magazine Time), et encore un autre à un organisme américain de renseignements non identifié (http://time.com/4802/quantum-leap/). Parmi les investisseurs de D-Wave figurent Goldman Sachs, Draper Fisher Jurvetson, qui a financé Skype et Tesla Motors, et Jeff Bezos, le fondateur d’Amazon. (Pour en savoir plus sur le financement de la recherche technologique au Canada, voir « Glossaire du nouvel écosystème financier de la technologie »  dans l'article de fond intitulé Semeurs d'entreprises)

Si D-Wave a réellement conçu un ordinateur quantique (ce qui semble discutable), celui-ci devrait pouvoir effectuer 2512 calculs simultanés, soit infiniment plus que le nombre de particules présentes dans l’univers. L’ennui est qu’il ne s’agit pas d’un ordinateur universel, d’usage général. Comme l’admet D-Wave, il effectue plutôt des opérations de « recuit quantique » permettant de résoudre uniquement des problèmes mathématiques d’« optimisation combinatoire discrète », comme le fameux problème du voyageur de commerce qui consiste, selon le nombre de villes et les distances séparant ces villes, à trouver le plus court chemin les reliant toutes.

« La nature exacte des appareils de D-Wave suscite la controverse », reconnaît M. Steinberg, de l’Université de Toronto, qui est membre du conseil consultatif scientifique de D-Wave. Les activités de cette dernière semblent bien relever de la quantique, mais on ignore si ses machines peuvent « donner de meilleurs résultats que les algorithmes classiques ». M. Aaronson, du MIT, s’exprime ainsi : « On a beaucoup parlé de D-Wave parce qu’elle a créé des attentes, observe-t-il. Son appareil est-il vraiment plus performant qu’un ordinateur classique? Rien ne le prouve. »

Quoi qu’il en soit, l’entreprise offre un nouveau produit sur lequel les investisseurs semblent prêts à miser. Martin Laforest, mon guide à l’IQC, estime que l’invention de D-Wave représente un grand travail d’ingénierie.

L’ordinateur classique évolue depuis plus d’un siècle. Aux visions utopiques du XIXe siècle ont succédé les études théoriques essentielles d’Alan Turing et de John von Neumann au cours des années 1930 et 1940. Par la suite, le premier ordinateur électronique universel, une énorme machine appelée ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer), a vu le jour en 1946. Depuis, les ordinateurs sont de plus en plus rapides et plus compacts. L’informatique quantique, elle, en est à ses balbutiements.

« Nous n’avons pas encore réalisé l’équivalent quantique du transistor, observe M. Aaronson, encore moins celui de l’ENIAC. » Pour sa part, M. Steinberg est un peu plus optimiste. Selon lui, cela peut prendre encore dix ans ou même plus, mais l’ordinateur quantique pourra un jour résoudre, beaucoup plus rapidement qu’un ordinateur classique, plusieurs problèmes qui nous préoccupent.

Enfin, qui utilisera l’ordinateur quantique? En 1943, le président d’IBM, Thomas Watson, avait prédit une demande mondiale d’au plus cinq ordinateurs. En fait, son erreur a été de sous-estimer la polyvalence de ce nouvel appareil et la multiplicité des problèmes qu’il pouvait résoudre. « On voyait l’ordinateur comme une machine à additionner, rappelle M. Steinberg. Les premières personnes à envisager de l’utiliser pour le traitement de texte, par exemple, passaient pour des illuminés. L’idée de s’en servir pour envoyer des images semblait relever de l’impossible. » Graduellement, nous avons compris qu’on pouvait traiter une grande partie de l’activité humaine sous forme d’information, en jonglant avec des 0 et des 1. Il en sera peut-être de même de l’ordinateur quantique, avance M. Steinberg. « Nous savons qu’il peut traiter l’information par des façons nouvelles et plus rapides que nos ordinateurs actuels. Nous devons continuer d’explorer ces façons, et déterminer quelles applications nous pouvons en tirer. »

À l’IQC, M. Laforest est encore plus enthousiaste. Outre les applications envisagées aujourd’hui, bien d’autres restent à découvrir, soutient-il. « Il s’agit d’une technologie de transformation et de bouleversement. C’est là que réside son potentiel. Tout comme le silicium a marqué un tournant, l’informatique quantique pourrait fort bien tout changer. »

 

À propos de l’auteur

Dan Falk


Dan Falk est journaliste scientifique à Toronto. Il a notamment publié The Science of Shakespeare et In Search of Time.

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