L’informatique quantique représente une avancée technologique révolutionnaire qui promet de transformer radicalement notre approche du calcul et du traitement de l’information.
En exploitant les principes fascinants de la physique quantique, cette discipline ouvre la voie à des capacités de calcul sans précédent, susceptibles de résoudre des problèmes jusqu’alors considérés comme insolubles.
Plongeons dans les concepts fondamentaux, les défis et les promesses de cette technologie qui façonne l’avenir de l’informatique.
Les principes fondamentaux de l'informatique quantique
Pour mieux comprendre l’informatique quantique et ses objectifs, il est utile d’assimiler quelques-unes de ses notions de base, notamment :
- Les qubits qui désignent les unités de bases en informatiques quantique à l’opposé des bits en informatique classique ;
- La superposition qui renvoie à l’état multiple des qubits;
- La décohérence qui consiste en la perte de l’état quantique d’un qubit ;
- L’intrication qui fait référence à ce lien mystérieux qu’entretiennent les qubits ;
- L’interférence quantique qui n’est rien d’autre que l’interaction des différents états quantiques, etc.
Telles sont les notions centrales qui permettent de saisir ce domaine pluridisciplinaire impliquant la physique, l’informatique et les mathématiques.
L'ordinateur quantique : une machine radicalement différente
Au-delà des concepts, des principes et des objectifs, l’informatique quantique se distingue l’informatique par le matériel utilisé. Sur plusieurs points l’ordinateur quantique est différent de l’ordinateur classique.
| Élément de comparaison | Ordinateur quantique | Ordinateur classique |
|---|---|---|
| Unité de base utilisée | Qubit | Bit |
| Architecture globale | Matériel et logiciels | Matériel et logiciels |
| Puissance de calcul | Plus élevée grâce au principe de superposition | Moins élevée |
| Types de problème adaptés | Optimisation de la logistique, problèmes NP, piratage des communications digitales, | Solutions numériques classiques |
| Principes de bases utilisés | Physique quantique (phénomènes surprenants et contre intuitifs) | Physique classique |
Ces différentes distinctions révèlent les avantages potentiels de l’ordinateur quantique par rapport à l’ordinateur classique.
Les défis de l'informatique quantique : obstacles et solutions
Compte tenu de ses spécificités, l’informatique quantique fait face à de nombreux défis qui restent toutefois surmontables. Cette branche de la science informatique fait face principalement aux problèmes de :
- Décohérence quantique due à l’instabilité des qubits ;
- Non adaptation des méthodes de correction d’erreurs aux systèmes quantiques;
- Refroidissement des processeurs qui nécessite un fonctionnement des ordinateurs quantiques dans des environnements à basse température ;
- Contrôle précis des qubits et la programmation liée à la mécanique quantique ;
- D’efficacité des algorithmes du fait de l’instabilité des bases ;
- Mise à l’échelle des systèmes quantiques;
- Le coût élevé associé à la conception et maintenance des ordinateurs quantiques, etc.
En dépit de ces défis et limitations le potentiel de l’informatique quantique reste entier.
Applications prometteuses de l'informatique quantique
Dans le contexte de développement technologique actuel, l’informatique quantique a un avenir prometteur tant il touche à des domaines peux explorés par l’informatique traditionnelle. L’informatique quantique sert notamment dans :
- La cryptographie et la sécurité des données notamment avec les algorithmes de cryptage qui protègent les mots de passe en ligne et les transactions ;
- L’intelligence artificielle et l’apprentissage automatique grâce à la capacité des systèmes quantiques à exécuter des algorithmes lourds ;
- L’optimisation et la logistique par les calculs longs et complexes réalisables par les ordinateurs quantiques ;
- La simulation moléculaire et la découverte des médicaments notamment avec des ordinateurs capables de cartographier exactement les molécules ;
- L’analyse des risques et la modélisation financière notamment avec l’ordinateur quantique qui effectue des calculs complexes et effectue des prévisions financières ;
- La météorologie, etc.
De la santé à la finance en passant par la météo, nombreux sont les secteurs qui bénéficient de l’informatique quantique.
La course à la suprématie quantique : acteurs et enjeux
Moins mis en exergue que l’informatique classique, l’informatique quantique est une branche de l’informatique dont le développement connaît l’implication de nombreux acteurs.
En première ligne des acteurs du développement des technologies quantiques, on retrouve les pays. Les USA notamment, comme acteur majeur en quantique apportent un soutien remarquable au développement de ces technologies (augmentation du budget de recherche, formation et éducation à tous les niveaux, création des centres de recherche, collaboration avec d’autres initiatives…).
Outre la recherche, d’autres pays ont mis sur pied des fonds d’investissement spécialisés dans les technologies quantiques. C’est le cas de Quantonation en France qui a investi dans les startups comme Pasqal (en France, spécialisée dans les calculateurs quantiques à base d’atomes froids), Quantum Benchmark (au Canada, spécialisée dans les logiciels), Kets Quantum Security (au Royaume Uni, spécialisée dans les composants de la cryptographie quantique), etc.
Comment fonctionne un algorithme quantique ?
Contrairement à l’informatique classique où l’algorithme suit une suite logique d’instructions, il suit des instructions quantiques en informatique quantique.
L’ordinateur quantique est une machine conçue pour résoudre certains problèmes qui échappent aux machines conventionnelles. Il compare la complexité d’un problème d’un point de vue classique et d’un point de vue quantique.
L’algorithme qui peut être résolu de manière classique avec une complexité bien définie, peut également l’être dans le modèle quantique avec une complexité équivalente ou moindre.
En effet, il existe une relation étroite entre les capacités d’un algorithmique quantique et le nombre de qubits. Leur augmentation est utile lorsque l’environnement quantique est maintenu malgré les inévitables processus de décohérence.
Il est à noter que le qubit ne peut pas être dupliqué en raison des lois de la physique quantique. Les exemples les plus marquants an matière d’algorithmes quantiques sont ceux de Grover et de Shor.
L’algorithme de factorisation de Shor notamment menace les systèmes de cryptographie à base de factorisation et met en lumière la nécessité de développer des méthodes de chiffrement quantique plus robustes.
L'impact de l'informatique quantique sur la cryptographie
L’un des domaines technologiques les plus impactés par l’informatique quantique c’est bien évidemment la cryptographie. Le tableau suivant présente les opportunités et les menaces sur le ce secteur.
| Opportunités de l’informatique quantique pour la cryptographie | Menaces potentielles |
|---|---|
| Développement de nouvelles générations de systèmes cryptographiques garantissant une sécurité renforcée ; Capacités de calcul prodigieuses pour résoudre des problèmes complexes ; L’utilisation des supercalculateurs quantiques pour l’amélioration des systèmes de sécurité | Risques de compromission des protocoles cryptographiques et donc la sécurité des données et communications ; Atteinte aux mesures de sécurité des transactions financières ; |
Les qubits expliqués simplement
À l’opposé de l’informatique classique qui utilise le bit comme unité de base de calcul, l’informatique quantique utilise le qubit. Le qubit ou quantum bit est une unité de base de calcul qui se caractérise par les éléments suivants :
- La superposition de son état (il peut être à la fois un et zéro, contrairement au bit qui est soit un, soit zéro) ;
- La capacité de stockage de l’information ;
- La fragilité qui expose aux risques d’erreurs ;
- La vulnérabilité face aux interactions extérieures, etc.
Ces différentes caractéristiques du qubit lui confèrent des qualités adaptées à la logique quantique qui a de meilleures perspectives de calcul.
Exemples concrets d'utilisation de l'informatique quantique
L’informatique quantique est aujourd’hui utilisée dans plusieurs secteurs avec des bénéfices palpables.
| Secteur | Bénéfices de l’utilisation de l’informatique quantique |
|---|---|
| Médical et pharmaceutique | Simulation et modélisation des interactions moléculaires pour conception des médicaments, modélisation des maladies |
| Finances | Exploitation d’énormes volumes de données, détection de la fraude et des cyberattaques |
| Automobile | Modélisation plus puissante des données de conception et de développement des véhicules, simulation des systèmes auto |
| Télécommunications | Routage et programmation des réseaux complexes, meilleure planification des réseaux |
| L’internet des objet | Déblocage des modèles cachés, des anomalies et corrélations dans les données des capteurs |
L’informatique quantique est aujourd’hui utilisée dans plusieurs secteurs.
L'écosystème de l'informatique quantique : des startups aux géants tech
L’informatique quantique telle qu’elle se présente aujourd’hui est le résultat des contributions permanentes de plusieurs acteurs. On retrouve notamment :
- Les gouvernements des Etats comme la Chine, les USA, la France, le Canada, l’Australie, la Suède, la Belgique qui investissent massivement dans la recherche et le développement des technologies quantiques;
- Les géants technologiques à la pointe du quantique comme Google, Alibaba, IBM et Microsoft qui développent des initiatives en faveur de cette technologie ;
- Les sociétés et startups comme la canadienne D-Wave avec sa nouvelle génération d’ordinateurs quantiques, l’américaine Rigetti avec ses ordinateurs quantiques universels à 19 qubits supraconducteurs développées récemment ;
- Les universités et les laboratoires de chercheurs notamment le CNRS, Inria, CEA avec des projets comme le Quantum Silicon ;
- Les entreprises privées et leurs programmes dédiés à l’informatique quantique comme Atos Quantum de Atos, Airbus aves son concours international annuel d’informatique quantique, etc.
Grâce aux contributions de ces différents acteurs le marché mondial de l’informatique quantique ne cesse d’évoluer avec un chiffre d’affaires estimé à 948,82 millions de dollars d’ici 2025.
Formation et carrières en informatique quantique
D’évolution plus ou moins récente, l’informatique quantique est un secteur qui offre de nombreuses perspectives d’emploi aux passionnés du numérique. Pour exercer un métier d’informatique quantique, voici quelques compétences requises :
- La maîtrise des principes de la mécanique et physique quantique;
- Le développement des algorithmes quantiques ;
- L’écriture des codes capables de s’exécuter sur ordinateur quantique ;
- Le génie électrique, la physique théorique et les mathématiques ;
- La maîtrise des différents langages de programmation quantique comme QML, Silq, Qiskit ;
- La sécurité des données et la cryptographie générale, etc.
Les formations pour acquérir ces compétences sont diverses et transversales. Elles sont disponibles dans les universités, laboratoires, écoles spécialisées et débouchent sur une carrière de :
- Quantum software engineer ;
- Cryptographe quantique ;
- Physicien quantique ;
- Ingénier en micro-ondes quantiques ;
- Scientifique en quantum machine learning ;
- Qubit researcher ;
- Développeur quantique,
Très peu connue du grand public, l’informatique quantique se présente comme un important pourvoyeur d’emplois valorisés.
L'avenir de l'informatique quantique : prédictions et perspectives
Les développements des technologies quantiques au cours des dernières années sont impressionnants. Les tendances et les perspectives du secteur également.
En vue de l’essor régulier de l’ère quantique, on note à titre de tendance, l’introduction de plus en plus de programmes universitaires portant sur les technologies quantiques afin d’assurer la disponibilité sur le marché de l’emploi de talents dans ce domaine à l’avenir.
C’est le cas en France à l’Université Paris Barclay. Les gouvernements envisagent des investissements plus importants encore dans le domaine.
30 d’entre eux à travers le monde (Royaume Uni, Pays-Bas, France, Suisse, Finlande, Pologne…) envisagent un budget compris entre 20 et 30 milliards de dollars pour la période 2024-2030.
Pour une informatique quantique pure, de nombreuses solutions hybrides sont envisagées sur le long terme. Elles permettent d’exécuter une partie des calculs sur une architecture de microprocesseur traditionnelle et une autre partie sur une architecture quantique.
L’accès sur site à l’informatique quantique via le cloud constitue un autre défi à relever, ce qui obligera les utilisateurs finaux devront s’accommoder des règlementations en matière de sécurité des données et de protection de la vie privée.
Les limites actuelles de l'informatique quantique
Dans son développement, l’informatique quantique fait face à une diversité d’obstacles techniques incluant :
- L’instabilité fondamentale des qubits (unité de base de calcul) ;
- La vulnérabilité des qubits aux erreurs dus au changement d’environnement ;
- Les problèmes de correction d’erreur ;
- L’instabilité du matériel quantique;
- La compromission des systèmes actuels de cryptage de données;
- La rareté des logiciels adaptés à l’exploitation de la technologie quantique;
- Les problèmes de refroidissement des processeurs quantiques, etc.
Pour surmonter ces différents défis, des efforts notables sont mis en œuvre par les professionnels du secteur pour développer une cryptographie post-quantique robuste et résiliente face aux menaces futures.
Informatique quantique vs. Intelligence artificielle : complémentarité ou concurrence ?
Dans les belles perspectives que présente le développement de l’informatique quantique, il est difficile d’ignorer ses interactions avec l’intelligence artificielle.
Les performances de cette technologie peuvent se voir améliorées d’abord en matière de complexité des modèles. Capable de gérer des données et modèles plus complexes, l’ordinateur quantique permet de développer des modèles d’IA plus avancés et plus précis.
Cet ordinateur rapide dans l’exécution des tâches peut résoudre les problèmes d’apprentissage automatique de l’IA.
Aussi, l’informatique quantique permet de simuler des systèmes quantiques pour les utiliser dans des modèles d’IA. Elle joue par ailleurs un rôle important dans l’apprentissage quantique (qui utilise les algorithmes spécifiques pour optimiser les paramètres d’un modèle).
Des améliorations en IA et en informatique quantique sont à envisager au regard des avancées en cours.
Préparer son entreprise à l'ère quantique : stratégies et recommandations
Pour plusieurs industries (finance, pharmaceutique, banque, automobile…), l’informatique quantique est une aubaine. Il est important pour les entreprises dans ces secteurs de préparer leur transition vers l’ère de cette technologie. Voici quelques actions à entreprendre dans ce sens :
| Action à mener | Contenu/portée de l’action |
|---|---|
| Mise en place de la stratégie de déploiement de l’informatique quantique | Identification des processus que l’informatique quantique peut améliorer |
| Formation du personnel | Implication des dirigeants et formation des collaborateurs aux technologies quantiques |
| Mise en place de l’équipe de codage quantique | Recrutement des cadres spécialisés en informatique quantique |
| Sensibilisation des parties prenantes | Vulgarisation de la stratégie quantique de l’entreprise |
