Du bit au qubit, la course à l’ordinateur quantique

Etienne Plamondon Emond Collaboration spéciale
Vue de l’intérieur du cylindre «Gradfairs 4»
Photo: Université de Sherbrooke Vue de l’intérieur du cylindre «Gradfairs 4»

Ce texte fait partie d'un cahier spécial.

Des appareils mécaniques et électroniques sont branchés à un cylindre suspendu par un échafaudage. À l’intérieur de celui-ci, des dispositifs sont refroidis jusqu’à des températures extrêmes frisant le zéro absolu (environ -273 degrés Celsius) par un réfrigérateur à dilution qui produit un grand vacarme. « Dans un laboratoire comme ici, on sort l’artillerie lourde », lance dans le sous-sol du pavillon des sciences de l’Université de Sherbrooke Michel Pioro-Ladrière, professeur de physique et directeur adjoint de l’Institut quantique. L’objectif ultime : faire passer l’ordinateur quantique de la théorie à la réalité.

C’est le grand rêve de l’informatique moderne : créer un appareil avec une puissance de calcul incomparable à celle des ordinateurs d’aujourd’hui en domptant la physique quantique. Car les lois de la physique à l’échelle de l’infiniment petit se révèlent déroutantes : un même électron peut notamment exister dans plusieurs états à la fois et se retrouver à plusieurs endroits à la fois. Physiciens et ingénieurs collaborent ici pour tirer profit de ces propriétés au bénéfice de l’informatique.

Du bit au qubit

Dans nos ordinateurs actuels, les transistors bloquent ou laissent passer un courant électrique, ce qui engendre un 0 ou un 1. C’est ce qu’on appelle un bit. Ces signaux sont envoyés un à la suite de l’autre. Or, en s’appuyant sur la physique quantique, il est possible de superposer un 1 et un 0 en même temps. C’est ce qu’on appelle un qubit. « Un ordinateur quantique va faire plusieurs calculs en parallèle », précise Alexandre Blais, directeur de l’Institut quantique, en vulgarisant dans son bureau les bases théoriques de cet ambitieux projet à l’aide d’un crayon et d’un tableau. « Pour être capable de simuler un ordinateur quantique à 300 qubits avec un ordinateur classique, il faudrait prendre chaque atome de l’univers visible et déclarer que c’est un transistor. Et on n’en aurait même pas assez. »

Alexandre Blais montre un processeur quantique de forme circulaire, en saphir et en aluminium, à 4 qubits. Sa conception découle d’une théorie qu’il avait développée avec une équipe en 2004, durant ses études postdoctorales à l’Université Yale. Son design permet d’échanger des informations entre des qubits sur un centimètre, une distance « gigantesque ». « Il y a une transition de la physique quantique vers la physique classique quand les corps deviennent trop gros. Et trop gros, ce n’est pas grand-chose. Ce qu’on veut faire, c’est combattre cette tendance à la nature de revenir à la physique classique. Pour ça, il faut trouver des trucs, des astuces. »

Des progrès insuffisants

Dans les derniers mois, IBM a annoncé avoir atteint 50 qubits, tandis que Google a évoqué un prototype à 72 qubits. Mais c’est encore loin d’être suffisant pour parler d’un ordinateur quantique ou pour supplanter la puissance des appareils actuels, souligne Alexandre Blais. Il ajoute que dans les manipulations quantiques, une erreur entre un 0 et un 1 survient encore environ une fois sur cent. « Ce n’est pas acceptable. On ne peut pas faire un ordinateur qui fonctionne comme ça. »

De plus, les qubits demeurent fragiles : ils peuvent être maintenus dans leur état quantique sous des températures extrêmement froides, un champ magnétique puissant et à l’abri de tout bruit durant à peine 100 microsecondes. Même si Alexandre Blais assure qu’on peut faire beaucoup dans ce court laps de temps, il considère qu’« il faut améliorer ça ».

« Il y a beaucoup de défis d’ingénierie, mais à la base, il reste aussi beaucoup de recherche fondamentale pour trouver de meilleures façons », signale-t-il. L’équipe de l’Institut quantique continue de plancher sur des calculs et de nouveaux designs de circuits, tout en simulant des modèles à l’aide du superordinateur Mammouth, situé sur le campus.

« Nos montages sont faits pour contrôler quelques qubits et, à l’Institut, on a des projets pour faire des montages qui seront capables d’en contrôler beaucoup plus », souligne Michel Pioro-Ladrière au sujet des expérimentations dans les laboratoires. « À force d’avoir de plus en plus de qubits, on va peut-être découvrir des choses inattendues. Sur papier, il n’y a rien qui empêche l’ordinateur quantique. À ce stade-ci, avec quelques qubits, tout fonctionne selon les règles du jeu. Il est possible que cela change en court de route. Si ça ne fonctionne pas, c’est parce qu’il y a quelque chose qui est fondamentalement faux avec la mécanique quantique et on va faire des découvertes fondamentales. D’un point de vue scientifique, c’est capital. Et si ça fonctionne, tant mieux, on va se rendre à l’ordinateur quantique. »

La course à la sécurité

La sécurité constitue l’une des raisons pour lesquelles Alexandre Blais juge important que le Québec et le Canada demeurent dans la course à la conception de l’ordinateur quantique. Si d’autres pays en détenaient un, ils pourraient facilement briser la cryptographie protégeant nos communications numériques. En revanche, le posséder fournirait la solution pour sécuriser nos informations contre des appareils aussi puissants.

Mais l’informatique quantique ouvre davantage d’horizons. Sa puissance pourrait notamment résoudre des problèmes complexes d’optimisation, comme ceux dans la gestion d’une flotte aérienne commerciale. Il aiderait aussi à simuler… des systèmes quantiques. « Ça semble ennuyeux », admet le physicien, avant de citer des répercussions concrètes, comme dans la synthèse de nouvelles molécules pour des médicaments ou la conception de matériaux supraconducteurs. Et c’est sans compter les utilités dont on ne se doute pas encore. Après tout, l’ENIAC, le premier ordinateur américain dévoilé en 1946, avait été conçu pour calculer des trajectoires balistiques. On connaît la suite.

Un nouveau pavillon

L’Institut quantique de l’Université de Sherbrooke possédera bientôt son propre pavillon. Pour sa construction, il a reçu en janvier dernier un financement de 13 millions octroyé par le gouvernement du Québec et le Fonds canadien de l’innovation (FCI). Cette somme s’ajoute aux 33,5 millions sur sept ans accordés à l’Institut quantique en 2015 par le gouvernement fédéral à travers le Fonds d’excellence en recherche Apogée. Alexandre Blais espère toujours une entrée d’argent supplémentaire pour concrétiser le pavillon qu’il a en tête. Ce dernier possédera des plateformes ouvertes, soit des laboratoires, notamment avec des installations pour effectuer des expériences à très basse température, qui seront accessibles pour plusieurs chercheurs, collaborateurs et partenaires. « En ce moment, on est dans un vieux bâtiment avec une vieille façon de faire de la recherche, souligne Michel Pioro-Ladrière. On veut démocratiser les laboratoires, les décloisonner. On veut que les théoriciens soient en contact avec les expériences et les expérimentateurs en contact avec les théoriciens. » En plus de réunir les physiciens et les ingénieurs en un seul édifice, des espaces communs seront aménagés pour qu’ils se rencontrent plus souvent. « Avec ce bâtiment, on veut vraiment favoriser la collision d’idées, poursuit-il. C’est vraiment important pour qu’émergent de nouvelles façons de faire, de nouvelles approches en technologie quantique auxquelles les gens n’ont pas encore pensé. On est encore à la pointe de l’iceberg. Il y a encore beaucoup de choses à découvrir. »