Technologie quantique : comment ça marche, applications et pourquoi les États-Unis et la Chine se battent pour atteindre la suprématie

L’informatique quantique est un domaine d’intérêt majeur au sein de la technologie quantique. Contrairement à un ordinateur classique, qui effectue les calculs un par un, un ordinateur quantique peut effectuer plusieurs calculs en même temps.

L’unité d’information de base dans l’informatique classique est un « bit », qui représente l’une des deux valeurs binaires – soit zéro, soit un. L’ordinateur est capable d’interpréter ces valeurs et de les représenter sous divers formats, y compris des mots et des images.

Les ordinateurs quantiques utilisent une unité de mémoire de base différente : un qubit, qui a la possibilité de représenter zéro, un ou les deux à la fois. Cette capacité d’un objet à exister sous plusieurs formes à la fois est connue sous le nom de superposition.

Les choses se compliquent lorsque plusieurs qubits de l’ordinateur interagissent les uns avec les autres.

C’est là qu’intervient le concept d’intrication : plusieurs particules d’un système quantique sont connectées et s’influencent mutuellement.

Par exemple, si un qubit représente zéro, un autre qubit intriqué prendra la valeur de un, et vice versa, rendant la mesure de chaque qubit dépendante de l’autre.

Parce que les unités d’information de base des ordinateurs quantiques peuvent représenter toutes les possibilités en même temps, elles sont théoriquement beaucoup plus rapides et plus puissantes que les ordinateurs ordinaires auxquels nous sommes habitués. Des physiciens en Chine, par exemple, ont récemment lancé un ordinateur quantique, selon eux a pris 1 milliseconde pour effectuer une tâche qui prendrait 30 000 milliards d’années à un ordinateur conventionnel.

Compte tenu de notre obsession pour la vitesse de la technologie, vous pourriez penser que l’informatique quantique serait désormais la valeur par défaut.

Mais jusqu’à présent, ces machines ne fonctionnent que dans un environnement protégé pendant de courtes périodes sur des tâches très spécifiques, et elles font beaucoup d’erreurs. Par conséquent, c’est un sujet de débat entre les scientifiques si la « suprématie quantique » – l’idée que les ordinateurs quantiques pourraient faire mieux que leurs homologues conventionnels, au moins sur certaines tâches spécifiques – a jamais été atteinte.

Un grand défi pour les scientifiques consiste à obtenir des qubits pour maintenir la superposition et l’intrication suffisamment longtemps pour accomplir une tâche. Les états quantiques de superposition et d’intrication sont extrêmement fragile et sans la bonne température et les bonnes conditions environnementales, ils perdent rapidement leurs qualités et se comportent de manière erratique.

Pour fonctionner correctement, les qubits doivent être stockés dans des réfrigérateurs spéciaux à températures ultra basses près du point où les atomes arrêtent de bouger. Le besoin d’équipements spécialisés est l’une des principales raisons pour lesquelles seuls les pays désireux d’investir une grande quantité de ressources ont étudié l’informatique quantique.

Pan Jianwei, éminent physicien quantique chinois estimé en octobre il faudrait « quatre à cinq ans de travail acharné » pour corriger les erreurs quantiques des deux ordinateurs quantiques développés par son équipe, avant de pouvoir résoudre des questions scientifiques importantes avec une valeur pratique.

Dans un article publié en 2020, Pan, le père du programme de satellites quantiques chinois, décrit trois applications pour la technologie quantique que le pays essayait de développer :

1. Capteurs quantiques qui pourrait révéler un sous-marin se cachant à des centaines de mètres sous l’océan, ou des dispositifs de guidage qui pourraient fonctionner indépendamment pendant des mois sans signal GPS ;

2. Ordinateurs quantiques, qui pourrait effectuer des calculs qui prendraient des milliers d’années à l’ordinateur hautes performances d’aujourd’hui, comme le craquage du chiffrement, en quelques secondes ;

3. Internet quantique utilisant des particules intriquées pour transmettre des messages, conduisant à des communications ultra-sécurisées.

Outre les applications militaires et de sécurité nationale, la recherche quantique pourrait aider à réaliser d’importantes percées scientifiques.

On espère que l’informatique quantique pourrait aider les chercheurs à développer de nouveaux médicaments en modélisant des molécules plus grosses et plus complexes beaucoup plus rapidement, selon un rapport McKinsey de 2021.

Les chercheurs étudient également les applications climatiques et proposent que les simulations informatiques quantiques à grande vitesse pourraient aider les scientifiques à créer des batteries ou des engrais plus efficaces, ou à trouver des moyens d’optimiser les processus pour réduire les émissions de carbone.

Alors que l’intérêt pour les applications d’informatique quantique grandit, les géants de la technologie à la pointe de la R&D – dont IBM, Google, Huawei Technologies Co. et le Matin du sud de la Chine Posterla société mère d’Alibaba – ont fourni des plates-formes gratuites permettant aux utilisateurs de développer des algorithmes quantiques.

La Grande-Bretagne, l’Union européenne et les États-Unis ont tous publié des plans ces dernières années pour jouer un rôle de premier plan dans la course mondiale à la science et à la technologie quantiques.

Le programme quantique national de la Chine, en revanche, a été entouré de secret jusqu’en 2020, date à laquelle il a inscrit technologie quantique comme une priorité absolue, avec six autres domaines scientifiques et technologiques clés dans le pays plan de développement quinquennal.

En décembre 2021, un rapport de Harvard a déclaré que dans l’informatique quantique, la communication quantique et la détection quantique – trois domaines traditionnellement dirigés par des chercheurs américains – « la Chine rattrape son retard et, dans certains cas, a déjà dépassé l’Amérique ».

Les deux pays ont investi d’énormes sommes d’argent et mis en place des politiques strictes liées à l’étude de la technologie quantique.

En septembre 2020, Pan et son équipe ont affirmé avoir ont atteint la suprématie quantique avec une nouvelle machine un million de fois plus rapide que le record détenu par Sycomore, un ordinateur quantique construit par Google.

La Chine détient plus de 3 000 brevets liés à la technologie quantique, soit environ deux fois plus que les États-Unis, mais accuse un retard en termes de brevets spécifiques à l’informatique quantique, selon un rapport Valuenex de 2021.

Selon un rapport de recherche du Congrès américain, l’informatique quantique pourrait constituer une menace pour les méthodes de cryptage actuelles d’ici 2030-2040.

Le cryptage moderne utilisé pour protéger les informations est presque impossible à déchiffrer pour les ordinateurs ordinaires, mais les ordinateurs quantiques pourraient le faire avec leur puissance de traitement supérieure.

Cela pourrait permettre « aux adversaires d’accéder à des informations sensibles sur les opérations militaires ou de renseignement américaines », selon le rapport.

Le rapport a également prédit qu’avec des améliorations à la fois de l’informatique quantique et de l’apprentissage automatique, un sous-domaine de l’intelligence artificielle, les pays pourraient développer des armes plus précises et plus meurtrières.

La Chine a déjà développé des équipements quantiques avec des applications militaires potentielles.

Cette année, des scientifiques de l’Université Tsinghua ont développé un radar quantique qui pourrait détecter les avions furtifs en générant une petite tempête électromagnétique.