Le paradigme informatique : Du binaire au quantique

  • Par Axel Deny
    • 20 Déc. 2023
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quantum computers

Un changement majeur dans le paradigme informatique est en train de se dessiner, qui pourrait rendre toutes les technologies actuelles obsolètes : l’informatique quantique. Cependant, pour comprendre les défis posés par le développement de l’informatique quantique, nous devons revenir sur le paradigme même de l’informatique telle qu’elle fonctionne aujourd’hui.

Le paradigme de l’informatique 

Les technologies de l’information (TI), au sens large, ont indéniablement ouvert une nouvelle page de l’histoire industrielle. Tous les développements actuels de l’informatique (des réseaux neuronaux aux jeux vidéo en passant par le graphisme) sont basés sur la représentation de l’information dans un système binaire. Tout calcul, information, image, son ou signal peut être représenté dans une configuration binaire, une suite logique de bits. Le bit représente le niveau de granularité le plus petit et le plus détaillé auquel l’information peut être représentée.

Dans le paradigme informatique actuel, un bit ne peut prendre que deux valeurs : 0 et 1 : 0 et 1. C’est pourquoi on parle de système “binaire”. Bien que cette formulation soit désormais bien connue du grand public, peu de gens savent en réalité expliquer ce que signifie “0” ou “1” pour un bit. En effet, il existe un phénomène physique sous-jacent très tangible qui permet de qualifier un bit en lui donnant une valeur de “0” ou de “1”. En effet, presque toutes les cartes de circuits imprimés s’appuient sur l’électricité pour déterminer/assigner/lire la valeur d’un bit. Ainsi, dans la plupart des cas, le potentiel électrique (c’est-à-dire la tension) est utilisé pour caractériser un bit. Si celui-ci dépasse une certaine valeur seuil, le bit est considéré comme valant 1 ; sinon, il vaut 0. Il n’y a pas d’état intermédiaire. Il s’agit donc d’un système binaire, car il est discret (il n’y a qu’un nombre fini de valeurs possibles : 0 ou 1) et déterministe (un bit vaut soit 0, soit 1).

La rupture entre l’informatique quantique et l’informatique dite “classique” réside précisément dans la manière dont elle représente l’information. Le phénomène physique sous-jacent n’est pas l’électricité (la présence ou l’absence d’un courant électrique ou la valeur d’un potentiel électrique) mais la physique quantique (c’est-à-dire la présence ou l’absence de particules). La physique quantique est dominée par un principe d’incertitude et est non déterministe par nature. Ce qui semble être une limitation est en fait une caractéristique extrêmement puissante.

L’information au sens quantique : le qubit 

Dans l’informatique « classique », un bit a deux valeurs : 0 et 1. Cela représente deux états possibles seulement (l’équivalent par exemple de l’absence ou de la présence de potentiel électrique). Pour une particule quantique, ces deux états 0 et 1 existent également. Mais il existe aussi une troisième possibilité qui un état indéterminé, une combinaison linéaire des deux états 0 et 1. Dans ce troisième état, cela signifie que la particule quantique peut être observée dans l’état « 0 » avec une certaine probabilité et l’état « 1 » avec une probabilité complémentaire.

En revanche, si l’on tient à mesurer l’état de la particule quantique à un instant donné, on observera ou bien l’état « 0 » ou bien l’état « 1 ». Par analogie avec le bit de l’informatique « classique », on parle de « qubit » pour représenter l’information au sens quantique, c’est-à-dire la combinaison linéaire des états « 0 » ou « 1 ». Si l’on mesure un qubit, on observera l’une des deux valeurs « 0 » ou « 1 ».

Le fait même de vouloir mesurer la valeur du qubit peut modifier son état. Néanmoins, si l’on ne mesure pas le qubit, son état existe toujours comme une combinaison linéaire des états « 0 » et « 1 », bien qu’on ne puisse le connaître avec précision. Un autre phénomène quantique, qui n’existe pas dans le monde classique, rend les qubits très intéressants : l’intrication quantique. L’intrication quantique permet à deux particules (et donc qubits) d’avoir des états corrélés. En utilisant l’intrication quantique, il est donc possible de lier la valeur de plusieurs qubits entre eux et de représenter un ensemble de possibilités beaucoup plus complexes. Cela est précisément ce qui fait la force de l’informatique quantique.  

l’informatique quantique

Les problèmes les plus complexes à la portée des qubits 

Les problèmes sont généralement considérés comme complexes en raison du nombre de possibilités nécessaires à explorer pour les résoudre. Un labyrinthe sera plus complexe qu’un autre par ses nombreux détours et croisements. Il est donc nécessaire d’explorer chaque possibilité de manière séquentielle pour déterminer s’il s’agit d’une solution possible. Pour un ordinateur classique, cela demande une quantité considérable de ressources et de temps. Pour les supercalculateurs les plus performants, certains problèmes sont même hors de portée tant il prendrait d’années à être résolus.

Pour un ordinateur quantique, l’intrication de qubits permet de couvrir et d’explorer simultanément un plus grand nombre de solutions possibles, fournissant un gain de puissance et de temps considérable. Parmi les applications possibles que l’informatique classique peine à résoudre comptent les industries pharmaceutiques et bancaire. L’informatique quantique ouvrirait la possibilité d’explorer des combinaisons complexes de protéines avec de potentiels applications médicales. De la même manière, l’informatique quantique permettrait de trouver les facteurs premiers de grands nombres, ce qui représente un problème mathématique très gourmand à l’heure actuel, au point où la robustesse de la cryptographie RSA utilisée pour protéger les données bancaires repose dessus. 

Etat actuel des ordinateurs quantiques 

Les ordinateurs quantiques existent déjà. Pour autant, ils demeurent à l’état expérimental, laissant encore le temps aux entreprises de s’adapter avant leur application dans des contextes industrielles et commerciaux. La réalisation de processus quantiques demandent des conditions expérimentales extrêmes, notamment parce que l’une des approches nécessite une température proche du 0 absolu (qui est de −273,15 °C). Mais aussi en raison de la présence d’erreurs dues à la modification d’états des qubits, lesquels sont très sensibles à la décohérence et au bruit quantiques. Néanmoins, les démonstrations effectuées par des ordinateurs quantiques expérimentaux laisse peu de doute quant à la révolution qui est en cours dans le monde de l’informatique.  

Les entreprises qui innovent dans ce secteur sont susceptibles d’être admissibles à plusieurs programmes de financement, notamment des subventions gouvernementales et des crédit d’impôt de RS&DE.

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Sources :

IBM, Qu’est-ce que l’informatique quantique ?,  
https://www.ibm.com/fr-fr/topics/quantum-computing 

Alan Boyle, GeekWire, Are quantum computers for real? So far, the uncertainty principle rules the day, 2023,  
https://www.geekwire.com/2023/quantum-computers-uncertainty-principle/ 

Scientific American, Decoded: How Does a Quantum Computer Work? https://www.youtube.com/watch?v=uLnGp1WTNFQ 

Quantverse, What is a Qubit? – A Beginner’s Guide to Quantum Computing https://www.youtube.com/watch?v=90za6mazNps 

AWS, Qu’est-ce que l’informatique quantique ?  
https://aws.amazon.com/fr/what-is/quantum-computing/ 

Auteur

Axel Deny
Axel Deny

SR&ED IT Consultant

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