Qu’est-ce que la “suprématie quantique” ?

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Fin 2019, des gros titres affirmaient que le géant d’Internet, Google, avait atteint la suprématie quantique – mais beaucoup se sont alors demandé : « Qu’est-ce que la “suprématie quantique” ? »

 

Pour répondre à cette question, nous devons explorer un des aspects les plus fondamentaux et étonnants de la création divine : le monde de la mécanique quantique.

 

Des zèbres et des pixels

Pour avoir un aperçu de la manière dont ce monde étrange de la physique est utilisé pour révolutionner le calcul, voyons le concept de mécanique quantique de la superposition. C’est une propriété étrange de la matière et une illustration qui peut nous aider à mieux la comprendre.

Imaginez que vous preniez un zèbre en photo et que vous regardiez l’image sur un ordinateur. En zoomant, vous commencerez à voir des pixels individuels à l’écran. Là où les rayures noires rencontrent les blanches, vous noterez quelques pixels gris – plus ou moins foncés, mais qui ne seront pas à 100% noir ou blanc.

Dans ce cas, les pixels représentent une sorte de superposition : un mélange de noir et de blanc. Un pixel unique est forcé de représenter une superposition d’états multiples – pas une rayure purement noire ou purement blanche. Les deux états sont représentés dans un pixel unique, en fonction du pourcentage de poils de zèbre noirs et blancs se trouvant dans cette toute petite fraction de l’image représentée par un pixel.

De façon (relativement) similaire, selon la mécanique quantique, les objets subatomiques que nous pensons souvent être de discrètes « particules » ne sont pas du tout des particules, mais ils existent dans plusieurs états en même temps. Comme le pixel gris représente une combinaison d’un certain pourcentage de noir et de blanc, l’état d’une particule subatomique est « flou » et imprécis, étant défini par une combinaison de tous les différents états qu’elle pourrait avoir, en se basant sur leur probabilité individuelle de se produire.

L’idée que des particules ne soient pas toujours des objets clairement définis par des lieux ou des états précis, mais qu’elles pourraient exister dans des lieux et des états indéfinis – existant probablement seulement ici où là – est indéniablement étrange. Mais l’intérêt de la théorie quantique a été démontré à de nombreuses reprises en fournissant la base d’une grande partie de la technologie moderne. Cela a déverrouillé une compréhension plus profonde de processus aussi concrets que la photosynthèse ou aussi éloigné que le sort des trous noirs.

Comment l’utiliser dans l’informatique ?

 

Une mise à jour des 0 et des 1

Depuis le début du 20ème siècle, la base de l’informatique a été binaire – l’information est représentée par une suite de 0 et de 1. L’arithmétique binaire (c.-à-d. que le 1 signifie “vrai” ou “allumé”, et le 0 “faux” ou “éteint”) est la base de toute la programmation informatique, depuis les applications de votre smartphone jusqu’aux systèmes de survie de la Station spatiale internationale.

L’unité de base de l’information – allumé/éteint ; vrai/faux, 1/0 – est le « bit ». Ce mot provient de la contraction des mots anglais binary (binaire) et digit (chiffre). Puisque les bits ne représentent que 1 ou 0, ils sont assemblés en groupes de plus en plus grands pour former des octets, des mégaoctets et des gigaoctets, représentant des volumes d’informations croissants. Par exemple, si votre ordinateur peut stocker 500 gigaoctets d’informations, cela signifie qu’il possède l’architecture électrique pour stocker 4.000.000.000.000 bits – quatre mille milliards de 1 et de 0. Absolument tout ce qui est enregistré dans votre ordinateur est composé de ces groupes de 1 et de 0.

La simplicité du bit s’est avérée être un outil formidable qui a permis l’existence de notre monde digital compliqué. Mais elle a aussi ses limites et l’utilisation de mécanique quantique promet une grande mise à jour. Alors qu’un interrupteur pouvant seulement être « allumé » ou « éteint » est déjà extrêmement utile, imaginez s’il pouvait être un mélange des deux !

Arrive alors le qubit. Alors qu’un bit serait comme un pixel pouvant seulement être noir ou blanc, un qubit serait comme un pixel capable d’être les deux possibilités simultanément en donnant une nuance de gris.

Alors qu’un bit informatique classique est limité aux valeurs de 1 ou 0, un qubit informatique quantique peut exister dans un état indéterminé qui représente une combinaison de 1 et de 0 – une superposition de conditions multiples, basé sur les lois de la probabilité et de la mécanique quantique. Ainsi, les qubits apportent beaucoup plus de puissance de calcul pour résoudre des problèmes que les bits. Combien plus ?

Selon des résultats publiés dans le journal scientifique Nature le 23 octobre 2019, Google a assigné à son ordinateur quantique, appelé « Sycamore », un problème qui aurait été résolu en 200 secondes. Le journal estime qu’un supercalculateur classique aurait mis 10.000 ans à effectuer ce calcul.

La « suprématie quantique » est l’étape qui a été franchie lorsqu’un ordinateur quantique a atteint un résultat qui serait impossible à calculer avec des ordinateurs classiques. Résoudre un problème avec un seul processeur en trois minutes et demi, alors que cela prendrait plus longtemps que l’Histoire de la civilisation avec un supercalculateur classique, marque une étape essentielle !

Le géant de l’informatique IBM a contesté cette affirmation, en estimant que son dernier supercalculateur classique pourrait atteindre le même résultat en 2 jours et demi (“Ordinateur quantique : IBM conteste la suprématie quantique clamée par Google”, Futura Sciences, 23 octobre 2019). Même si IBM dit vrai, personne ne peut nier la remarquable avancée de Sycamore. Le supercalculateur d’IBM, « Summit », prend la place de deux terrains de tennis et il est actuellement l’ordinateur non-quantique le plus puissant au monde. Si Sycamore, qui rentre dans une armoire, effectue en 200 secondes un calcul qui prendrait plus de 2 jours avec Summit, nous touchons déjà du doigt une technologie révolutionnaire.

 

Quel est l’impact potentiel ?

Le potentiel de l’informatique quantique pour changer le monde est évident lorsque nous considérons à quel point la puissance de calcul est devenue importante dans notre vie. Le bond en avant de l’informatique quantique pourrait nous permettre de concevoir de nouveaux matériaux et médicaments, ou d’accélérer les avancées en termes d’intelligence artificielle. Nous pourrions voir des avancées que nous ne pouvons même pas imaginer à présent.

Certains affirment que l’univers lui-même fonctionne comme un gigantesque ordinateur quantique, en « traitant » l’activité de ses innombrables particules et forces d’un bout à l’autre. Si c’est le cas, lorsque les ordinateurs commenceront à imiter plus directement les propres calculs de la nature, de nouvelles ouvertures pourraient apparaître en physique, chimie et biologie – voire dans l’architecture même du cerveau.

Cependant, l’humanité a montré qu’elle n’a pas fait très bon usage d’une telle connaissance. Dans notre cheminement pour comprendre davantage comment fonctionne la remarquable création de Dieu, nous sommes inévitablement confrontés à la façon dont nous choisissons d’utiliser ce que nous apprenons. Comprendre comment Dieu a conçu la matière et l’énergie nous a permis de maîtriser la puissance de l’atome – à la fois pour alimenter nos villes et pour les détruire.

Comprendre le monde étrange et contrintuitif de la mécanique quantique nous amènera à un choix similaire. Quelles décisions devrons-nous prendre lorsque nous maîtriserons l’informatique quantique ? Aurons-nous la force de caractère d’utiliser correctement ce que nous aurons appris de cet aspect de la création de Dieu ?

La réussite de Sycamore annonce que nous pourrions bientôt découvrir la réponse.

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