{"id":117080,"date":"2020-02-08T09:28:04","date_gmt":"2020-02-08T08:28:04","guid":{"rendered":"https:\/\/www.pauljorion.com\/blog\/?p=117080"},"modified":"2020-02-08T09:28:04","modified_gmt":"2020-02-08T08:28:04","slug":"information-et-ordinateurs-quantiques-par-jacques-printz","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.pauljorion.com\/blog\/2020\/02\/08\/information-et-ordinateurs-quantiques-par-jacques-printz\/","title":{"rendered":"Information et ordinateurs quantiques<\/b>, par Jacques Printz"},"content":{"rendered":"

Ouvert aux commentaires.<\/p><\/blockquote>\n

Quelques mots \u00e0 propos d’un sujet qui revient r\u00e9guli\u00e8rement dans les discussions sur la technologie et les imaginaires technologiques, celui de l’information et des \u00ab\u00a0ordinateurs\u00a0\u00bb quantiques.<\/p>\n

J’ai assist\u00e9 lundi 3\/02 \u00e0 un s\u00e9minaire de l’AEIS o\u00f9 nous avions invit\u00e9 Daniel Est\u00e8ve, Directeur de recherche au CEA et responsable de l’\u00e9quipe Quantronique qui \u00e9tudie les possibilit\u00e9s de calcul quantique, \u00e0 partir de circuits \u00e9lectriques dits quantiques, c’est \u00e0 dire tr\u00e8s petits et mettant en \u0153uvre des ph\u00e9nom\u00e8nes quantiques comme la superposition des \u00e9tats ; avec 2 bits quantiques, on va pouvoir superposer 4 \u00e9tats not\u00e9s 00, 01, 10 et 11, soit 2 \u00e9tats par particules, et mesurer ainsi la stabilit\u00e9 du dispositif. Il est \u00e9galement membre de l’acad\u00e9mie des sciences. C’est une des r\u00e9f\u00e9rences internationales en la mati\u00e8re ; le responsable du projet de machine quantique Sycomore, chez Google, John Martinis, a fait partie de son \u00e9quipe ; ils ont m\u00eame co\u00e9crit qq. articles.<\/p>\n

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Jusqu’ici, j’avais des interrogations et beaucoup de scepticisme car je n’avais jamais r\u00e9ussi \u00e0 trouver de l’information de qualit\u00e9, malgr\u00e9 qq. recherches rest\u00e9es vaines, en particulier sur la machine D-Wave \u00e0 propos de laquelle je n’avais jamais rien trouv\u00e9 qui ressemble, de pr\u00e8s ou de loin, \u00e0 un manuel de programmation au sens habituel du terme. J’avais tendance \u00e0 m’aligner sur l’avis de physiciens comme S. Haroche, R. Laughlin, tous deux prix Nobel, assez sceptiques sur la faisabilit\u00e9, ou A. Grinbaum que nous avions vu \u00e0 l’Universit\u00e9 catholique de Lille.<\/p>\n

Pour la 1\u00e8re fois, la probl\u00e9matique s’\u00e9claire, suite \u00e0 cette conf\u00e9rence, et je comprends enfin pourquoi \u00ab\u00a0Ce n’est pas pour demain\u00a0\u00bb, comme l’avait dit S. Haroche \u00e0 l’\u00e9poque de son prix Nobel !<\/p>\n

L’\u00e9chelle quantique est celle de l’atome, soit 0,1 nanom\u00e8tre. C’est tr\u00e8s petit. Le pas de l’h\u00e9lice ADN de nos chromosomes, c’est 3,4 nm. Nos meilleurs circuits int\u00e9gr\u00e9s comme ceux de la machine NVIDIA GV100 dont j’ai d\u00e9j\u00e0 parl\u00e9 sont grav\u00e9s \u00e0 12 nm, ce qui fait un rang lin\u00e9aire d’une centaine d’atomes de silicium, et en volume un petit cube qui en contiendrait 1 million [100\u00d7100\u00d7100]. On sait faire des exp\u00e9riences de diffraction quantique avec des mol\u00e9cules de fuller\u00e8ne qui contiennent 60 atomes de carbone, de \u00ab\u00a0gros\u00a0\u00bb objets \u00e0 l’\u00e9chelle quantique. Depuis les 1\u00e8res exp\u00e9riences de corr\u00e9lation quantique faites par A. Aspect, on en est maintenant \u00e0 plusieurs kilom\u00e8tres, et m\u00eame entre des satellites et la terre.<\/p>\n

Rien de ce que l’on observe avec nos instruments n’\u00e9chappe \u00e0 la m\u00e9canique quantique et \u00e0 ce jour il n’y a aucun contre exemple connu qui en montrerait les limites m\u00eame si beaucoup de physiciens pensent que cette limite existe. Notons qu’avec la m\u00e9canique classique de Newton [1687], ce n’est que 2 si\u00e8cles plus tard que les probl\u00e8mes apparaissent avec les mesures d’invariance de la vitesse de la lumi\u00e8re. D’o\u00f9 les erreurs de perspective de savants comme Laplace et ceux de moindre calibre qui l’ont suivi … erreurs qui n’ont \u00e9t\u00e9 reconnues que dans les ann\u00e9es 1980 !<\/p>\n

La finesse de gravure des circuits quantiques est obtenue par lithographie \u00e9lectronique, car \u00e0 ce niveau la lithographie optique en ultraviolet n’est plus assez fine. Ces technologies, tr\u00e8s couteuses, sont cependant bien ma\u00eetris\u00e9es au plan industriel ; les ing\u00e9nieurs physiciens savent faire ! Le ph\u00e9nom\u00e8ne v\u00e9ritablement int\u00e9ressant est la mise en \u0153uvre d’un parall\u00e9lisme vraiment massif, au del\u00e0 du million, alors qu’une machine comme la NVIDIA ne sait faire travailler \u00ab\u00a0que\u00a0\u00bb 4096 processeurs en parall\u00e8le, une performance d\u00e9j\u00e0 extraordinaire, et une programmation qui commence \u00e0 \u00eatre vraiment complexe. Les circuits quantiques changent donc la donne, comme l’avaient fait les ordinateurs classiques de von Neumann des ann\u00e9es 1950 et leurs 20.000 instructions \u00e0 la seconde, soit 4 \u00e0 5 ordres de grandeur par rapport \u00e0 l’\u00e9lectrom\u00e9canique, avec une fiabilit\u00e9 de 15 \u00e0 20 minutes maximum [aujourd’hui, c’est plusieurs ann\u00e9es gr\u00e2ce \u00e0 de la redondance bien plac\u00e9e].<\/p>\n

Les physiciens comme D. Est\u00e8ve ont pu mesurer la fiabilit\u00e9 de leurs dispositifs, soit pour 2 bits Quantiques 0,993. Avec une machine de 50 bits Q, \u00e7a fait donc (O,993)50<\/sup>, soit environ 0,7 ; avec 100 bits Q, l\u00e0 o\u00f9 \u00e7a commence \u00e0 \u00eatre int\u00e9ressant, \u00e7a fait environ 0,5. C’est nettement insuffisant pour une exploitation hors du laboratoire. Pour que la fiabilit\u00e9 deviennent acceptable, il faudrait pouvoir doter la machine quantique de Codes Correcteurs d’Erreurs, comme ce qui se fait dans nos ordinateurs classiques, lesquels sans ces codes CCE ne fonctionneraient pas plus de qq. minutes. Peut-\u00eatre qu’en enfouissant la machine au fond d’une mine pour la mettre \u00e0 l\u2019abri des rayons cosmiques, \u00e7a marcherait un peu plus longtemps …<\/p>\n

Or dans la machine quantique on ne sait pas faire l’\u00e9quivalent de ces CCE pour des raisons fondamentales de logique quantique, car on ne peut pas dupliquer les \u00e9tats superpos\u00e9s sans les d\u00e9truire [donc la redondance est impossible], quand bien m\u00eame on sache les t\u00e9l\u00e9-transporter [gr\u00e2ce \u00e0 la non localit\u00e9, ce que permet la dite logique]. La difficult\u00e9 ainsi soulev\u00e9e est r\u00e9dhibitoire car on n’a pas \u00e0 ce jour la th\u00e9orie, ni m\u00eame aux dires de D. Est\u00e8ve une id\u00e9e de recherche d’une telle th\u00e9orie. Il va falloir \u00eatre cr\u00e9atif et inspir\u00e9 par de nouvelles exp\u00e9riences\u00a0 …<\/p>\n

Une autre difficult\u00e9 est induite par les temp\u00e9ratures ultra-basses n\u00e9cessaires \u00e0 l’\u00e9mergence du ph\u00e9nom\u00e8ne. Je croyais na\u00efvement que \u00e7a se passait dans l’h\u00e9lium liquide \u00e0 2,7 \u00b0K, comme les aimants du LHC ou des appareils IRM qui ont besoin de champs magn\u00e9tiques intenses obtenus par supraconductivit\u00e9. Beaucoup trop chaud m’a r\u00e9pondu D. Est\u00e8ve ! \u00c7a se passe \u00e0 0,001 \u00b0K, avec des appareil que l’on sait fabriquer [\u00e7a s’appelle des r\u00e9frig\u00e9rateurs \u00e0 dilution], mais \u00e7a coute 300.000\u20ac. Pour stabiliser le circuit qui fonctionne avec des quantit\u00e9s d’\u00e9nergie infimes, il faut donc refroidir bien au del\u00e0 de ce que l’on sait faire en standard avec de l’air liquide, ou de l’h\u00e9lium liquide. Ce n’est pas vraiment \u00e9cologique comme proc\u00e9d\u00e9 car comme l’exigent les lois de la thermodynamique il faut beaucoup d’\u00e9nergie pour faire du froid, un froid qui, \u00e0 cette \u00e9chelle, n’existe pas dans la nature. L’objet le plus froid de la nature est le fond diffus cosmologique, le vide sid\u00e9ral, \u00e0 environ 3\u00b0K.<\/p>\n

Reste le probl\u00e8me de la programmation ?!<\/p>\n

En \u00e9coutant D. Est\u00e8ve j’ai compris pourquoi mes recherches sur D-Wave n’avaient rien donn\u00e9. Et pour cause, ce n’est pas un ordinateur programmable. C’est le terme \u00ab\u00a0ordinateur\u00a0\u00bb qui m’a abus\u00e9, car il n’y a pas d’ordinateurs sans son [on devrait dire \u00ab\u00a0ses\u00a0\u00bb, car il y a plusieurs niveaux !] manuel de programmation. La r\u00e8gle est : Ordinateur = Programmation. Le syst\u00e8me dont on parle est une machine analogique, et d’ailleurs, dans sa conf\u00e9rence, D. Est\u00e8ve n’a jamais parl\u00e9 d’ordinateur quantique, mais toujours de machine quantique. Le c\u0153ur de la machine est un circuit \u00e9lectrique quantique dont le fonctionnement est analogue \u00e0 un calcul. Dans un calculateur dit analogique [on en a utilis\u00e9 jusque dans les ann\u00e9es 1980] on met en \u0153uvre des circuits \u00e9lectroniques classiques qui permettent de calculer la d\u00e9riv\u00e9e ou l’int\u00e9gration d’un signal \u00e9lectrique fournit en entr\u00e9e. Dans les ann\u00e9es 1960-70 c’\u00e9tait un grand classique des cours d’\u00e9lectroniques.<\/p>\n

Avec le circuit \u00e9lectrique quantique invent\u00e9 par D. Est\u00e8ve et ses coll\u00e8gues on peut faire des calculs parall\u00e8les en jouant sur la superposition des \u00e9tats quantiques, comme \u00e7a \u00e9t\u00e9 dit ci-dessus, \u00e0 condition qu’on sache isoler le circuit de son environnement non quantique, pendant un certain temps n\u00e9cessaire au calcul. On sait depuis un bon si\u00e8cle que la d\u00e9composition d’un nombre en facteurs premiers est un calcul dont la complexit\u00e9 est exponentielle. Les cl\u00e9s de codage RSA font 1.024 ou 2.048 bits. Un nombre d\u00e9cimal de 4000 chiffres [environ une page de texte, et environ 13.300 chiffres binaires 0\/1] n\u00e9cessiterait un temps de calcul de plusieurs si\u00e8cles … Mais avec une machine pouvant faire plusieurs millions d’op\u00e9rations en parall\u00e8le, c’est diff\u00e9rent, et l’algorithme de factorisation s’y pr\u00eate bien d’o\u00f9 un algorithme comme celui de Shor. Mais l\u00e0 encore le terme est trompeur, surtout pour un informaticien, car en informatique la r\u00e8gle de base est\u00a0Programme = Algorithmes\/Instructions + Donn\u00e9es\u00a0<\/i>[Titre d’un livre c\u00e9l\u00e8bre de N. Wirth, connu de tous les informaticiens], alors que pour un physicien la r\u00e8gle dit aussi\u00a0Algorithme = Un circuit ad hoc\u00a0<\/i>; comme dans les calculateurs analogiques classiques. Le \u00ab\u00a0programmeur\u00a0\u00bb est alors un physicien qui n’a plus rien d’un programmeur, car les programmeurs actuellement form\u00e9s partout ignorent en g\u00e9n\u00e9ral compl\u00e8tement comment est faite la circuiterie hardware, et c’est ce qui les rend si efficace, car s’il fallait qu’ils connaissent le COMMENT [par exemple la machine NVIDIA et ses 21 milliards de transistors], la productivit\u00e9 ferait une chute drastique ! Quant au co\u00fbt de fabrication d’un tel circuit, c’est en million d’\u20ac qu’il faut compter.<\/p>\n

Le programmeur d’une machine quantique est donc un physicien quantique, une formation exigeante qui par les temps qui courent, surtout dans nos pays occidentaux, fait fuir tout le monde … Pour conclure, l’ordinateur quantique, m’apparait comme un bel exemple de science fictive. On a une science tr\u00e8s solide qui nous dit plut\u00f4t que c’est impossible en l’\u00e9tat actuel, ou si on est prudent comme S. Harroche qui dit : \u00ab\u00a0Ce n’est pas pour demain\u00a0\u00bb. Mais \u00e7a ne fait rien, l’imaginaire technologique va alors se substituer aux lois de la physique, et tout comme par magie va devenir possible. Le bruit et la complexit\u00e9, l’ing\u00e9nierie, sont mis sous le tapis. Dans mes conf\u00e9rences, et dans le livre qui en est issu Survivrons-nous \u00e0 la technologie\u00a0<\/i>?, j’ai essay\u00e9 d’expliquer pourquoi et comment on avait pu passer de la machine \u00ab\u00a0papier\u00a0\u00bb de Turing qui na\u00eet en 1936, aux ordinateurs qui naissent eux en 1952-53. Gr\u00e2ce au g\u00e9nie de von Neumann, on avait toute la th\u00e9orie, mais il a fallu une bonne dizaine d’ann\u00e9es pour en trouver l’ing\u00e9nierie, mais l’ing\u00e9nierie que nous connaissons maintenant ne d\u00e9marre v\u00e9ritablement qu’avec les transistors CMOS dans les ann\u00e9es 1980. La situation de l’ordinateur quantique, si tant est qu’il existe un jour, est caract\u00e9ris\u00e9e par l’absence de th\u00e9orie en support de l’ing\u00e9nierie. C’est l’ing\u00e9nierie qui est fictive.<\/p>\n

Dans la s\u00e9rie de science fiction Star Trek que je regardais avec plaisir, les machines de t\u00e9l\u00e9-transportation du docteur Spock n\u00e9cessitaient un appareillage ad hoc et des physiciens de chaque c\u00f4t\u00e9 du transport. C’est le physicien qui \u00e9tait dupliqu\u00e9, sans qu’on sache trop comment, surtout pour la 1\u00e8re fois … De la bonne science fiction, avec sa part de myst\u00e8re, mais sans absurdit\u00e9 flagrante.<\/p>\n

PS : il y a une vid\u00e9o de D. Est\u00e8ve de 2019 qui explique assez bien la probl\u00e9matique, pour des non physiciens …<\/p>\n