Vers l’ordinateur quantique : un défi scientifique majeur pour les prochaines décennies  

Deux des grands courants scientifiques du XX^e siècle, la physique quantique et les sciences de l'information, se sont récemment rencontrés pour étudier ensemble dans quelle mesure des propriétés parfois étranges, que la physique quantique avait distinguées dans le comportement des particules élémentaires, peuvent être exploitées à des fins de représentation, de traitement et de communication de l'information.

1. Physique quantique et information : perspectives audacieuses pour l'informatique

Dès 1982, Richard Feynmann, Prix Nobel de Physique, suggérait que d'utiliser la physique quantique au lieu de la physique classique comme support matériel de l'information et du calcul permettrait de traiter des problèmes que leur complexité met hors de portée de l'informatique actuelle. C'est au cours des années 1990 que des premiers résultats, d'abord algorithmiques et théoriques, puis expérimentaux, sont venus confirmer de manière éclatante cette intuition initiale.

De la théorie à l'expérimentation

En 1994, Peter Shor (AT&T) montre en effet que le calcul quantique permet de factoriser les entiers en temps polynomial, alors que le meilleur algorithme classique connu a un coût exponentiel . En 1996, Lov Grover (Lucent) conçoit un algorithme quantique qui n'a besoin que de √n requêtes à un oracle f pour trouver un élément qui satisfait f dans une base de données non ordonnée de taille n, là où le calcul classique requiert de l'ordre de n requêtes au même oracle. Quelques conséquences de ces deux résultats majeurs sont expliquées plus loin (voir 4.)

Un peu plus tôt, en 1993, Charles Bennett (IBM Research), Gilles Brassard (Université de Montréal) et quelques autres mettaient en évidence un usage inattendu de l'intrication , propriété de l'information quantique tellement étrangère au monde classique que des personnages comme Einstein en avaient, dès 1935, vigoureusement contesté la réalité. Le travail de Bennett et de ses collègues définissait les principes théoriques d'un protocole de « téléportation » : l'état d'un système quantique a (une particule, par exemple) localisé en A peut, après avoir été détruit, être attribué à un autre système quantique b localisé ailleurs, en B, sans que l'état de a ne soit connu ni en A ni en B, et sans que ni a ni aucun autre système quantique porteur de l'état de a ne soit transporté sur une trajectoire reliant A et B. Peu après, en 1997, Anton Zeilinger (Université de Vienne) réalise selon ces principes la première expérience de téléportation de l'état d'un photon, suivie depuis de beaucoup d'autres, avec d'autres particules.

Isaac Chuang devant son ordinateur quantique chez IBM. Photo © IBM.

De 1999 à 2002, Isaac Chuang (IBM Research) conçoit et réalise un ordinateur quantique qui, bien que limité à 7 bits, lui sert à montrer que la physique permet en effet de mettre en œuvre expérimentalement les principes algorithmiques nouveaux imaginés sur le plan théorique par Peter Shor et Lov Grover.

Un foisonnement interdisciplinaire

Ces splendides résultats théoriques sur l'information quantique et son traitement, puis leurs confirmations expérimentales, ont immédiatement suggéré que des problèmes hors de portée de l'informatique classique pourraient être traités en exploitant ce paradigme informationnel radicalement non classique. Ils ont ouvert des perspectives scientifiques et technologiques lointaines, certes, mais immenses. Ces travaux ont donné naissance à un courant de recherche interdisciplinaire, aujourd'hui très foisonnant où physiciens, théoriciens et expérimentalistes, mathématiciens et informaticiens apportent désormais des contributions majeures. Des liens profonds ont été établis entre les disciplines jusqu'alors disjointes de la physique quantique, de l'informatique et de la théorie de l'information. La douzaine de pionniers de la fin des années 1980 est devenue une communauté de plusieurs milliers de personnes qui a ses groupes de recherche renommés, ses conférences internationales , ses écoles d'été et ses journaux scientifiques, où se rencontrent, s'expriment et coopèrent des chercheurs de toutes ces disciplines.

Cette recherche vise le très long terme. Il n'y aura probablement pas d'ordinateur quantique de taille utile avant plusieurs dizaines d'années. Cette recherche a devant elle de grandes questions, souvent difficiles, et même quelques obstacles qui semblent encore insurmontables aujourd'hui. Mais elle a la dynamique, l'imagination et l'audace de la jeunesse. C'est en effet un grand défi scientifique que de porter ce regard neuf sur la connaissance ultime que nous avons, aujourd'hui, de la matière, au niveau le plus profond de sa constitution, pour y distinguer ce qui peut s'interpréter comme de l'information, et pour y trouver ce que nous serons peut-être un jour en mesure de maîtriser pour traiter et communiquer cette information, à des échelles et avec des performances aujourd'hui inconcevables, et pour des applications encore impossibles à imaginer.