La nécessité de mettre au point un ordinateur quantique

David Poulin, professeur au Département de physique de la Faculté des sciences et chercheur à l'Institut quantique de l'UdeS

Invité à prendre la parole au Forum économique mondial de Davos qui se tenait du 23 au 26 janvier en Suisse, le président-directeur général de Microsoft, Satya Nadella, a, entre autres, plaidé pour la nécessité de mettre au point un ordinateur quantique.

Entretien avec David Poulin, professeur au Département de physique de la Faculté des sciences et chercheur à l'Institut quantique de l'UdeS. Les travaux de recherche du professeur Poulin portent sur l'informatique quantique. 

En quoi la capacité actuelle des ordinateurs approche la saturation ?

Pendant des décennies, la vitesse des processeurs a doublé à tous les 18 mois. C’est en grande partie attribuable à la miniaturisation des composantes électroniques. Par exemple, en 1993, on se faisait une gloire d’annoncer qu’on venait de se procurer un ordinateur équipé d’un processeur Pentium 60MHz, c’est à dire qui réalise 60 million d’opérations à la seconde. En 2006, le même fabriquant fournissait des processeurs opérant à 4GHz, donc réalisant 4 milliards d’opérations à la seconde, environ 100 fois plus rapide qu’en 1993. Le portable avec lequel je réponds à mes courriels est équipé de processeurs opérant à la même vitesse qu’en 2006. La seule différence est qu’il possède 4 coeurs, donc il peut faire 4 fois plus d’opérations. On voit donc que la vitesse de calcul arrive à saturation, la seule façon d’augmenter le nombre d’opérations c’est en multipliant le nombre de processeurs, on ne parvient plus à accélérer la performance des processeurs eux-mêmes. En particulier, la miniaturisation devient plus difficile puisque la taille des composantes électroniques approche la taille de l’atome, donc les effets quantiques deviennent importants.

Qu’est-ce que l’ordinateur quantique pourrait faire de plus, et comment le ferait-il ?

Les effets quantiques deviennent inévitables pour poursuivre l’accélération des composantes électroniques. On peut toutefois les voir comme une nuisance, un obstacle à la poursuite du progrès constant des 50 dernières années, ou on peut tenter d’en tirer profit en utilisant les comportements étranges des objets quantiques à des fins de calcul. C’est l’approche préconisée en informatique quantique. Il faut comprendre toutefois que l’informatique quantique n’est pas simplement une façon d’accélérer le traitement d’information. Il est en fait fort probable qu’un futur ordinateur quantique réalisera un très petit nombre d’opérations par seconde. En termes de vitesse du processeur, il est à parier que l’ordinateur quantique sera comparable à un ordinateur des années 80. Ce que l’ordinateur quantique offre est une autre façon de manipuler l’information. Tout calcul prend des données A en entrée et produit une réponse B. Un algorithme réalisant ce calcul est un trajet permettant de se rendre du point A au point B. Les rues composant ce trajet sont les opérations élémentaires de l’ordinateur : addition, multiplication, etc.

Un ordinateur quantique offre de nouvelles rues, des opérations qui n’existent pas dans un ordinateur classique. Plus précisément, ces rues n’existent pas dans notre façon habituelle de concevoir le monde, ce ne sont pas des opérations que l’on peut expliquer intuitivement, elles ne respectent pas notre logique.

Bien que tout cela soit contre intuitif, l’existence de nouvelles rues mène à la possibilité de trouver des trajets beaucoup plus courts, donc des algorithmes beaucoup plus efficaces. Ainsi, même si l’ordinateur quantique possédait un processeur 1000 fois plus lent que mon portable, il parviendrait à réaliser certains calculs beaucoup plus efficacement.

Sans dévoiler des secrets commerciaux, vous collaborez avec Microsoft, pourriez-vous élaborer sur le sujet ?

J’ai depuis longtemps des collaborations scientifiques avec des chercheurs qui sont aujourd’hui basés à Microsoft Research à Redmond dans l’état de Washington. Microsoft est un des joueurs les plus important en informatique quantique et leur équipe est en pleine expansion. Parmi les questions qui préoccupent Microsoft, deux se trouvent au cœur de mes activités de recherche: comment réaliser un ordinateur quantique plus robuste tout en minimisant les ressources et quels sont les problèmes qui peuvent bénéficier d’une accélération quantique? La première thématique porte donc sur la correction d’erreur quantique, une méthode logicielle permettant d’éliminer les erreurs qui se produisent pendant un calcul quantique. La seconde thématique consiste à développer de nouveaux algorithmes pour un ordinateur quantique. Dans les deux cas, il s’agit donc de programmer un ordinateur qui n’existe pas encore ! Je me suis fait une bonne renommée internationale dans ces domaines, et depuis environ un an, j’agis comme consultant pour Microsoft sur ces thématiques. Mon travail consiste à les aider à progresser sur ces problèmes. De mon point de vue, il s’agit d’une façon de consolider des collaborations de recherche très fructueuses et de créer de nouvelles occasions scientifiques et professionnelles pour mes étudiants gradués.