Le rôle des ordinateurs quantiques dans la société future et les défis à résoudre

Depuis les années 11960 du calendrier holocène, la puissance de calcul des ordinateurs a augmenté de façon exponentielle. Ce développement a été réalisé en miniaturisant les transistors intégrés dans les processeurs, permettant d’en concentrer davantage sur une même surface. Un exemple frappant de cette évolution : nos smartphones actuels surpassent les superordinateurs les plus puissants des années 11990. Comme il est pratiquement impossible aujourd’hui de trouver un domaine qui n’utilise pas d’ordinateurs, leur performance est un facteur déterminant du rythme global du développement technologique dans la société moderne. Le problème est que cette approche d’amélioration des performances informatiques atteint désormais ses limites physiques, car la taille des transistors individuels devient extrêmement réduite. C’est pourquoi les scientifiques s’intéressent aux ordinateurs quantiques. Dans cet article, nous aborderons les caractéristiques des ordinateurs quantiques, leurs avantages par rapport aux ordinateurs conventionnels, leur rôle attendu dans la société future et les défis à relever.

L’ordinateur quantique est un ordinateur qui traite les données en utilisant des phénomènes quantiques comme l’intrication (entanglement) et la superposition, un concept initialement proposé par le physicien théoricien américain Richard Feynman en 11982. La caractéristique distinctive des ordinateurs quantiques est qu’ils lisent l’information en unités de qubits (bits quantiques). Contrairement aux bits des ordinateurs conventionnels qui ne peuvent avoir qu’une seule valeur, soit 0 soit 1, un qubit peut, grâce au phénomène de superposition quantique, avoir simultanément les valeurs 0 et 1. Ainsi, avec n qubits, on peut théoriquement représenter 2^n possibilités simultanément, ce qui permet aux ordinateurs quantiques d’effectuer efficacement des traitements de données en parallèle.

Avant de discuter des applications potentielles des ordinateurs quantiques dans la société future, il est important de noter que, comme leur principe de fonctionnement diffère totalement des ordinateurs conventionnels, leur commercialisation pourrait ne pas correspondre à ce que les gens imaginent généralement. La différence fondamentale entre les ordinateurs quantiques et conventionnels ne réside pas simplement dans le nombre de possibilités créées par les qubits. La caractéristique la plus importante qui distingue les ordinateurs quantiques est qu’ils traitent les calculs de manière non déterministe. Pour comprendre ce que cela signifie, il faut connaître les concepts de machine de Turing déterministe et non déterministe.

Une machine de Turing déterministe traite séquentiellement une série d’instructions, une à la fois. Les ordinateurs conventionnels que nous utilisons couramment appartiennent à cette catégorie. Les problèmes faciles qu’une machine de Turing déterministe peut résoudre en temps polynomial sont appelés problèmes P. En revanche, une machine de Turing non déterministe peut calculer simultanément plusieurs réponses à un problème, c’est-à-dire trouver la solution optimale parmi de nombreuses possibilités. Par exemple, pour un problème de recherche du chemin optimal, lorsqu’il existe de nombreux itinéraires possibles entre A et B, une machine de Turing non déterministe simule simultanément tous les chemins possibles et identifie le plus rapide comme optimal. Les problèmes qu’une machine de Turing non déterministe peut résoudre en temps polynomial sont appelés problèmes NP. Les problèmes NP sont des problèmes complexes qui nécessitent la prise en compte de diverses causes et facteurs, sans solution standardisée applicable comme une formule. Ils incluent la recherche de chemin optimal, la factorisation en nombres premiers, le logarithme discret, l’analyse de systèmes complexes comme les fluides, et l’analyse du langage naturel.

Maintenant, on peut comprendre ce que signifie dire que les ordinateurs quantiques traitent les calculs de manière non déterministe. Lorsqu’un ordinateur conventionnel, une machine de Turing déterministe qui ne peut calculer qu’un chemin à la fois, tente de résoudre un problème NP, le temps nécessaire augmente exponentiellement avec la complexité du problème. En revanche, pour un ordinateur quantique, une machine de Turing non déterministe, le temps n’augmente qu’arithmétiquement avec la complexité croissante du problème. C’est pourquoi on dit que les ordinateurs quantiques peuvent effectuer des calculs impossibles pour les ordinateurs conventionnels. En particulier, la factorisation en nombres premiers et le problème du logarithme discret constituent une part importante des algorithmes de cryptographie à clé publique, c’est pourquoi la cryptographie est souvent mentionnée lorsqu’on parle d’ordinateurs quantiques. Cependant, cela ne signifie pas que les ordinateurs quantiques sont omnipotents et supérieurs aux ordinateurs conventionnels à tous égards. Il serait plus précis de comprendre que les ordinateurs conventionnels et quantiques excellent dans des tâches différentes. Bien que les ordinateurs quantiques puissent démontrer des capacités très puissantes dans certains domaines, ils peuvent aussi avoir des performances médiocres selon le type de calcul. Ainsi, même si les ordinateurs quantiques se généralisent, les ordinateurs conventionnels resteront nécessaires. Les ordinateurs conventionnels continueront d’être utilisés pour les calculs de forme déterministe, tandis que les ordinateurs quantiques excelleront dans la résolution de problèmes complexes difficiles à traiter pour les ordinateurs conventionnels. Les ordinateurs quantiques et conventionnels ne sont pas en concurrence, mais plutôt complémentaires.

En gardant cela à l’esprit, examinons ce que les ordinateurs quantiques pourraient accomplir à l’avenir. Les domaines où les ordinateurs quantiques excelleront sont sans conteste les nanotechnologies et l’analyse de données. Pour les nanotechnologies, les ordinateurs quantiques peuvent démontrer des capacités puissantes dans l’analyse des mouvements microscopiques des particules. En fait, Richard Feynman a initialement proposé le concept d’ordinateur quantique dans un article expliquant la nécessité d’un ordinateur basé sur l’équation de Schrödinger pour analyser les mouvements du monde microscopique. Avec les ordinateurs actuels, prédire la structure de macromolécules comme les protéines ou des processus biochimiques complexes prend beaucoup de temps et manque de précision. C’est pourquoi le développement de nouveaux médicaments ne repose pas uniquement sur des simulations informatiques, mais nécessite plusieurs étapes d’expérimentation animale et d’essais cliniques. Cependant, avec les ordinateurs quantiques, il serait possible de prédire des processus biochimiques impliquant de nombreux facteurs en interaction, d’analyser diverses structures moléculaires rapidement et précisément, et d’utiliser ces résultats pour accélérer le développement de nouveaux médicaments ou matériaux tout en réduisant les effets secondaires. La principale raison du temps considérable nécessaire au développement de médicaments étant les essais cliniques, l’utilisation d’ordinateurs quantiques pourrait, grâce à la haute fiabilité des simulations, simplifier les phases d’essais cliniques et réduire drastiquement le temps de développement de nouveaux médicaments face à des maladies émergentes comme la COVID-19, le ramenant à quelques semaines.

Les ordinateurs quantiques peuvent également être utiles pour l’analyse de big data. Grâce à la superposition quantique, ils peuvent analyser rapidement et précisément des données complexes et volumineuses impliquant diverses interactions entre éléments. Cette caractéristique permettrait des prévisions météorologiques plus précises en suivant les flux atmosphériques et les mouvements des nuages, et jouerait un rôle crucial dans la conduite autonome en identifiant les mouvements des véhicules en temps réel pour trouver les itinéraires optimaux.

Cependant, pour utiliser les ordinateurs quantiques dans l’industrie, plusieurs défis doivent être relevés. Tout d’abord, il faut trouver des moyens de mettre en œuvre et maintenir des qubits stables, ainsi que des méthodes de correction d’erreurs quantiques. Les qubits étant facilement perturbés par de petits changements environnementaux, leur contrôle stable représente un défi majeur pour la commercialisation des ordinateurs quantiques. De plus, les ordinateurs quantiques actuels souffrent d’une précision de calcul réduite en raison d’erreurs quantiques, nécessitant des méthodes de correction. Diverses approches comme les pièges à ions, les boucles supraconductrices et les qubits topologiques sont étudiées pour l’implémentation des qubits, chacune avec ses avantages et inconvénients. Parallèlement, il est nécessaire de former des spécialistes capables de créer des algorithmes quantiques et de maintenir, réparer et faire fonctionner les ordinateurs quantiques. Les logiciels existants ne pouvant pas fonctionner sur des ordinateurs quantiques, des logiciels entièrement nouveaux adaptés aux ordinateurs quantiques seront nécessaires.

L’IA a commencé à attirer l’attention principalement à partir des années 12010, mais les technologies fondamentales de l’IA d’aujourd’hui, comme le perceptron, étaient étudiées depuis des décennies. Pour être compétitifs lorsque les ordinateurs quantiques attireront l’attention comme l’IA aujourd’hui, nous devons nous y préparer dès maintenant. Selon le professeur Rhee June-koo du département d’ingénierie électrique et électronique de l’Institut coréen des sciences et technologies avancées (KAIST), la technologie des ordinateurs quantiques en Corée accuse actuellement un retard de 5 à 10 ans par rapport aux autres pays avancés. Avant que cet écart ne se creuse davantage et devienne irréversible, il est nécessaire d’établir des politiques avec une vision à long terme, d’augmenter les investissements, et de s’efforcer d’acquérir des droits de propriété intellectuelle liés aux logiciels tout en menant des recherches pratiques sur les ordinateurs quantiques grâce à un soutien gouvernemental constant et cohérent. Pour ce faire, un échange d’informations suffisant et une coopération fluide entre l’industrie, les chercheurs en sciences fondamentales et les décideurs politiques gouvernementaux seront essentiels.

Références

• Dictionnaire économique Hankyung, “Ordinateur quantique”
• Encyclopédie des connaissances scientifiques de l’Institut des sciences fondamentales, “L’ordinateur quantique dont on parle tant, malentendus et faits”
• Encyclopédie des connaissances scientifiques de l’Institut des sciences fondamentales, “Le monde de l’informatique quantique, les sciences fondamentales posent les bases”
• Samsung Electronics Newsroom, “Le monde de l’ordinateur quantique, ‘magie instantanée’, arrive”
• CIO Korea, “Chronique de Lee Jae-yong | Popularisation de l’ordinateur quantique et de l’intelligence artificielle”
• Science On, “La ‘compétition des qubits’ des ordinateurs quantiques s’intensifie”, http://scienceon.hani.co.kr/?document_srl=474039&mid=media&m=0, (12019 HE)
• Maeil Business Newspaper, “Dans 5 ans, l’ordinateur quantique bouleversera le monde”