Des scientifiques de Clermont-Ferrand répondent à vos questions sur l’informatique quantique

Trois maîtres de conférence de Clermont-Ferrand ont écrit un ouvrage pour rendre accessible l’informatique quantique à toute personne ayant des bases scientifiques. Comment ça marche ? Quelle application concrète en fait-on ? Ils répondent à toutes nos questions.

De plus en plus, l’informatique quantique fait parler d’elle. De nombreuses entreprises s’y intéressent. Trois spécialistes de l’Université Clermont Auvergne et Montpellier ont rédigé un ouvrage pour rendre cette science obscure accessible à toute personne ayant des bases scientifiques en la matière. Éric Bourreau maître de conférences au LIRMM (Laboratoire Informatique Microélectronique de Montpellier) , Philippe Lacomme et Gérard Fleury du LIMOS (le Laboratoire d'informatique, de modélisation et d'optimisation des systèmes) décryptent cette technologie. Casser des cryptages ou organiser des emplois du temps, autant d’usages positifs comme négatifs qui pourront être faits de cette technologie.  

D’où vient l’informatique quantique ? 

Gérard Fleury : “L'informatique quantique vient d'une idée d'un prix Nobel qui s'appelle Richard Feynman, qui a imaginé un ordinateur quantique il y a de cela plusieurs décennies. Tout de suite ou presque, un certain nombre de chercheurs ont essayé de fabriquer ce qu'on appelle des algorithmes permettant d'utiliser cet ordinateur. On commence seulement actuellement à avoir des machines qui correspondent. Il y avait déjà les algorithmes, le concept existait déjà, mais les machines ont demandé beaucoup d'années de travail." 

Comment fonctionne l’informatique quantique ?  

Gérard Fleury : ”Imaginez que vous lanciez des pièces de monnaie en l'air. Tant qu'elles sont en l'air, tout est possible. Quand elles sont arrivées sur la table ou par terre, c'est fini, le résultat est connu. Elles sont figées : soit pile, soit face. Un ordinateur quantique, c'est ça. On a la possibilité, pour chaque pièce de monnaie, de modifier la probabilité d'avoir pile ou face (ce n'est pas nécessairement 1/2 et 1/2) et la possibilité d'avoir des pièces de monnaie qui sont reliées, par exemple si l'une donne pile l'autre donnera face. C’est ce qu'on appelle l'intrication. Un ordinateur quantique permet de dépasser ce que fait un ordinateur normal qui, lui, correspond aux pièces posées sur la table. Avec l'ordinateur quantique, les pièces sont en l'air et tournoient. Pendant qu’elles tournoient, on travaille, on modifie leurs probabilités, on les intrique... L'ordinateur quantique permet de travailler en modifiant les probabilités et le résultat devient accessible et connu au moment d'une interaction.” 

Qui sont les acteurs principaux de ce domaine ? 

Philippe Lacomme : “Aujourd'hui dans l'informatique quantique, il y a des acteurs majeurs dans le domaine dont on entend beaucoup parler, qui sont très connus. Il y a des Américains, comme D-Wave, dont on entend parler parce qu'ils sont implantés et puis il y a aussi Google, un autre géant américain. Il y a différentes technologies de ces machines, pas rigoureusement identiques, mais qui permettent de faire des choses intéressantes. IBM fait aussi partie des acteurs les plus connus car ils offrent l'accès à certaines machines quantiques gratuitement.” 

Quelles sont les utilisations possible de l’informatique quantique ? 

Philippe Lacomme : “Le rêve avec ces machines, c'est de faire des calculs des milliers de fois plus vite que ce qu'on fait aujourd'hui. Il y a des domaines où ça n'a pas d'intérêt d'aller plus vite. Typiquement, sur un ordinateur normal, on n'a pas vraiment besoin que son Word ou Excel, s'exécute beaucoup plus vite que ce qu’ils font aujourd'hui, mais il y a plein de calculs scientifiques où c'est nécessaire, où ça pourrait être utile. Si on allait des milliers de fois plus vite, par exemple, on pourrait imaginer d'aller casser les clés de cryptage qu'on utilise dans le traitement de votre carte bancaire. Ce n’est pas le cas pour l’instant heureusement, inutile de jeter votre carte bleue, mais ça donnerait effectivement la possibilité de faire des calculs qui aujourd'hui sont impossibles à faire dans un temps raisonnable. Casser les codes des cartes bancaires nécessite des dizaines d'années de temps de calcul avec des machines classiques. “ 

Éric Bourreau : “L'algorithme des cartes bancaires s'est fait là-dessus : c’est basé sur le fait que ce n'est pas possible actuellement de les casser en un temps raisonnable. Il faudrait des années de calcul pour casser une carte bancaire. Maintenant, avec une machine quantique, on a pourrait imaginer que les calculs seraient faits quelques secondes. Ca révolutionne la sécurité.” 

Cette technologie est-elle déjà utilisée ?  

Gérard Fleury : "Un domaine sur lequel c’est déjà efficace, c'est en chimie. Il semblerait que l'ordinateur quantique ait déjà apporté des améliorations. Il y a des calculs qui prenaient des centaines d'heures voire de jours et qui maintenant, se font en quelques minutes et surtout sont possibles. Avant, on les faisait à la main et c'était absolument impossible, on tombait sur des équations impossibles à résoudre en un temps raisonnable avec des machines classiques. On sait qu'il y a eu des avancées. Ils ont réussi visiblement à calculer des choses en en chimie quantique qu'on n'arrivait pas à calculer.” 

Éric Bourreau : “C'est l'idée au départ de cet ordinateur. En chimie, on n'arrivait pas à modéliser des phénomènes qui étaient des phénomènes quantiques qu'on devait faire sur des ordinateurs classiques et ça prenait énormément de temps. Feynman a dit “Mais ce qu'il me faudrait, c'est un ordinateur quantique qui pourrait simuler des processus et des phénomènes quantiques". ” 

Quelle utilisation faîtes-vous de ces machines ? 

Éric Bourreau : “Nous qui faisons du calcul haute performance, on détourne un peu la machine de son usage premier parce qu'elle a une grosse capacité de calcul. On s'en sert normalement pour faire des calculs plus performants, casser des cryptages, ou faire tourner des problèmes d'optimisation. Nous sommes tous les trois dans des laboratoires d'informatique et nous sommes tous les trois des chercheurs en optimisation.” 

Philippe Lacomme : “On s'intéresse par exemple à des problèmes de la vie de tous les jours, concevoir des trajets de bus, gérer des flottes de véhicules, cela fait partie des problèmes difficiles.  On ne s’en rend pas compte, mais il y a des milliards de possibilités pour gérer une flotte de camions. Souvent les solutions qu'on calcule coûtent beaucoup de temps de calcul : plusieurs minutes, plusieurs heures, ça dépend de ce qu'on cherche.” 

Éric Bourreau : “Ce que ces ordinateurs font miroiter, c'est qu'on pourrait, à terme, résoudre ces problèmes en quelques secondes. On n'en est pas là aujourd'hui parce que ces machines sont un peu limitées. Pour l'instant on énumère une par une des solutions dans un espace combinatoire qui est très grand. On est obligés d’énumérer un milliard de possibilités pour trouver la solution alors que là, on lâche les pièces. Les milliards de solutions sont là, simultanément, on n’a plus qu'à programmer un algorithme quantique et ensuite, la solution va tomber.” 

Comment fonctionnent ces algorithmes ? 

Gérard Fleury : “Je vais donner un exemple avec un électron qui peut être dans 2 positions possibles. Spin up, spin down, peu importe ces 2 positions, elles correspondent aux côtés pile ou face de la pièce de monnaie dont nous parlions précédemment. C’est la physique quantique qui a montré que les particules élémentaires se comportaient de cette manière, ce qui est tout à fait contraire à toute intuition. C'est pour ça que Richard Feynman, un jour, a terminé son cours en disant à ses étudiants : “Si vous avez compris ce que je viens d’expliquer, c'est que je me suis mal exprimé.” Peu de personnes comprennent la physique quantique parce que c'est déroutant. Les algorithmes quantiques tirent profit de résultats issus de la physique quantique.” 

Gérard Fleury : “Un ordinateur, c'est un une succession d'interrupteurs. Un algorithme quantique, c'est un une succession d'interrupteurs qu'on appelle des portes et l'ensemble de ces portes définit un circuit quantique.” 

Quelles sont les tâches qui peuvent-être améliorées ? 

Gérard Fleury : “Il y a un autre exemple, peut être plus parlant sur la complexité, que tout le monde peut comprendre : établir un emploi du temps dans un collège. C'est un problème extrêmement combinatoire, c'est quelque chose qu'on ne sait pas résoudre de façon efficace en un temps bref. Si vous imaginez un lycée de 1 500 élèves où il y a 100 classes, 100 salles, ça va devenir très difficile à résoudre de façon optimale. Il est difficile de construire un emploi du temps qui satisfasse au mieux toutes les contraintes des élèves et des enseignants : c'est un calcul relativement long. Une machine quantique pourrait permettre de réduire le temps de calcul de l'emploi du temps à quelques secondes alors que ce calcul nécessite plusieurs minutes aujourd'hui.”

Comment évolue cette technologie ? 

Philippe Lacomme : “Il y a encore 4 ou 5 ans, ces machines étaient toutes petites, il n'y avait que quelques qubits. Au cours des 5 dernières années, de 3, on est passé à une quinzaine et puis après à 32, 64... Il y a une croissance extrêmement rapide, un peu comme ce qu'on a connu avec l'informatique dans les années 70. Les ordinateurs n'avaient même pas la puissance de votre téléphone et maintenant, on a des machines surpuissantes dans nos bureaux.” 

Pourquoi ces machines sont elles aussi rares ? 

Gérard Fleury : “La difficulté de ces machines est multiple. Il faut les maintenir isolées du monde extérieur et ce n'est pas facile. Ces machines sont souvent à très basse température et ne fonctionnent que pendant un temps relativement court. Pendant ce temps-là, il faut qu'on ait fait notre travail. La majorité des technologies utilisées nécessitent de très basses températures d'une part et d'autre part nécessitent d'être isolées du monde extérieur. La difficulté est de garder le système dans un état stable suffisamment longtemps pour que les calculs puissent avoir lieu. La difficulté est double : trouver la bonne technologie pour les machines et trouver les bons algorithmes à faire fonctionner sur ces machines.” 

Gérard Fleury plaisante : “En résumé, on n'a pas encore l'espoir de casser le code de votre carte bancaire, mais on y travaille.” 

Où sont les ordinateurs quantiques ? 

Éric Bourreau : “Il n’y en a pas en France, il y a une seule machine en Europe à notre connaissance. Elle se trouve en Allemagne. Ça ressemble à des frigos. C'est comme des puces d'ordinateur classique dans lesquelles il faut, pour que le phénomène quantique puisse se produire, qu'on soit à -270°C, proche du 0 absolu. Cette puce est enfermée dans un "frigo" qui enfermé dans un "frigo"... il y a 3 niveaux pour passer à -100°C, 2 à -200°C, etc. La majorité des centres de recherche ne possèdent pas de machine quantique. Les laboratoires utilisent des machines quantiques via le cloud. Concrètement, depuis les bureaux de l'université, les chercheurs conçoivent des algorithmes, les envoient sur ces machines quantiques et récupèrent le résultat via internet.” 

Cette technologie est-elle dangereuse ou bénéfique ?  

Gérard Fleury : “Il est probable que la vraie raison pour laquelle ces machines ne soient pas disséminées soit une raison de sécurité militaire. Peut-être que si on réussit à avoir des machines suffisamment performantes, on peut casser des codes, y compris des codes militaires. D'ailleurs, il y a 10 ans, quand la première machine est sortie, un des premier client était la NSA.” 

Éric Bourreau : “Il y a plein de choses à faire, on peut inventer des nouveaux médicaments grâce à ça, on peut aussi optimiser des trajets pour éviter d'avoir des congestions en ville... Cette avancée technologique majeure qu'on a connu qui était difficilement prévisible. Elle a mis un focus très important sur l'informatique quantique, dont on entend beaucoup parler dans les médias et à la télévisionil y a des leaders français qui sont positionnés, ATOS par exemple... ça touche le la partie applicative où on peut faire des calculs intéressants, des grands groupes industriels s'intéressent à ça. Par exemple, la SNCF. Au mois de mai les journées quantiques qui ont été organisées à Clermont-Ferrand ont montré l'intérêt que de grands groupes portent actuellement à ces technologies.” 

Les ordinateurs quantiques vont-ils remplacer nos ordinateurs ? 

Philippe Lacomme : “L'informatique classique va continuer d'exister. On ne va pas remplacer l'informatique normale. Le domaine d'application des ordinateurs quantiques se limite aux calculs difficiles nécessitant, sur une machine classique, des temps de calcul trop importants pour être acceptables.” 

Comment peut-on coder sur un ordinateur quantique ? 

Éric Bourreau : “C'est comme si on écrivait en français et que, d'un coup, on devait écrire en chinois. On a des structures de phrases très différentes de ce dont on a l'habitude. C'est comme si on devait tout repenser, il faut désapprendre ce qu'on a appris. Ce que l'on appelle algorithmes deviennent des programmes sur une machine classique. Sur une machine quantique, on appelle ça des circuits parce que c'est complètement différent.” 

Philippe Lacomme : “ Il faut savoir que piloter, j'ai bien dit piloter plutôt que programmer, un ordinateur quantique n'a rien à voir ou presque avec ce que l'on fait avec un ordinateur classique, c'est totalement exotique. Cela se fait le plus souvent en langage Python sur une machine classique parce que c'est le langage le plus commun. L'exécution se fait sur la machine quantique à distance. Certaines machines sont en accès gratuits, donc tout le monde peut essayer. Il faut quelques connaissances techniques et de bonne bases scientifiques. Par exemple, Dwave offre aux nouveaux utilisateurs quelques secondes de temps de calcul sur leurs machines.” 

Pourquoi avoir écrit un livre ? 

Philippe Lacomme : “Il y a quelques supports sur l’informatique quantique disponibles sur Internet mais ils ne sont pas très nombreux. On a essayé de faire une introduction destinée à des gens qui veulent découvrir l'informatique quantique. Quelqu'un qui a bac+2, qui a fait sciences, il peut se débrouiller. Il suffit de raisonner juste en informatique. Le but, c'était de de donner des éléments pour découvrir l'informatique quantique, donc ce qu'on a mis, c'est les réponses aux questions de base.” 

Des entreprises sont-elles intéressées par cette technologie ? 

Philippe Lacomme : “C'est une course. Il se passe quand même une petite révolution. Quelqu’un me demandait quel argument était le plus intéressant pour dire que les entreprises ont intérêt à s'intéresser à l'informatique quantique. La volonté d'apprendre, de progresser, de découvrir de nouvelles façon d'analyser un problème, de le modéliser et de le résoudre efficacement sont autant de raisons valables pour se lancer dans ce nouveau domaine. Par contre il y a quelques années, il y avait un leader téléphonique qui fabriquait des téléphones avec un clavier mécanique, et ils ont raté la révolution de l'écran tactile qu'on a aujourd'hui. Ils ont quasiment disparu.” 

Fin mai, des chercheurs ont franchi une étape clé vers un Internet quantique ultra-sécurisé, en créant un réseau rudimentaire d'échange d'informations par téléportation à trois temps. L'ouvrage "Introduction à l'informatique Quantique" est disponible aux éditions Eyrolles.