Le terme « ordinateur quantique » semble tout droit sorti de la science-fiction.
Mais avez-vous conscience qu'un ordinateur quantique pourrait à l'avenir pirater votre carte Visa ? Ou casser le chiffrement de vos conversations WhatsApp ou de vos transactions bancaires en ligne ?
Des travaux sont en cours pour empêcher ce scénario, notamment au Luxembourg.
Dans ce nouvel épisode de « Ziel mir keng! », l’équipe de science.lu du Fonds National de la Recherche (FNR) vous explique ce qu'est au juste un ordinateur quantique, ce qui le rend si révolutionnaire et si nous devons nous inquiéter pour nos mots de passe. Et elle répond aussi à la question de savoir si, à l'avenir, nous nous promènerons tous avec un smartphone doté d'un ordinateur quantique dans la poche.
Qu'est-ce qui fait des ordinateurs quantiques une évolution potentiellement révolutionnaire et dangereuse ?
Les ordinateurs quantiques sont une priorité nationale et pourraient s'avérer révolutionnaires.
Lorsqu'il s'agit d'examiner un très grand nombre de possibilités, les ordinateurs quantiques sont bien plus rapides que les ordinateurs classiques, et même plus rapides que les superordinateurs. Ils pourraient par exemple contribuer à développer de nouveaux médicaments ou matériaux, à résoudre des problèmes d'optimisation très complexes, à accélérer la recherche et à dynamiser l'économie.
L’article y reviendra plus loin.
Mais les ordinateurs quantiques ne sont pas plus performants dans tous les domaines. Pour les tâches ordinaires, comme rédiger des e-mails, lire des vidéos en streaming ou créer des feuilles de calcul, ils sont même moins performants qu'un ordinateur portable classique.
Et ils s'accompagnent malheureusement aussi de dangers.
Le chiffrement qui protège aujourd'hui nos données en est un exemple. Il repose sur une clé mathématique qui nécessite la factorisation de très grands nombres en nombres premiers. Là où même les ordinateurs haute performance actuels mettraient des milliers, voire des millions d'années pour cette tâche, un ordinateur quantique n'aurait besoin que de quelques minutes ou quelques heures.
Pour l'instant, aucun ordinateur quantique n'est encore suffisamment performant pour casser notre chiffrement. Florian Kaiser estime qu'il faudra encore au moins dix ans, probablement plus, mais les progrès pourraient s'accélérer d'un coup. Il est donc essentiel de se préparer à temps, notamment en raison du principe du « collect now, decrypt later » (récolter maintenant, décrypter plus tard). Il faut partir du principe que des données sont déjà collectées aujourd'hui dans le but de les décrypter dès l'arrivée de l'ordinateur quantique.
Pour empêcher un tel scénario, des chercheurs sont déjà en train de développer des méthodes de chiffrement « résistantes au quantique » destinées à protéger vos données des ordinateurs quantiques à l'avenir. Les premiers standards sont déjà déployés à l'échelon mondial, dans les banques, les compagnies d'assurance ou encore d'autres grandes entreprises. Des navigateurs web ou applications de messagerie intègrent aussi déjà de tels systèmes.
Au Luxembourg également, des chercheurs travaillent sur des systèmes quantiques et des méthodes de chiffrement quantique, par exemple au LIST ou à l'Université du Luxembourg, où ils cherchent notamment à rendre LuxTrust résistant au quantique.
Ou à garantir qu'à l'avenir, chacun dispose chez lui d'un accès Internet sûr face au quantique.
Tout cela est donc déjà une réalité, et non plus un simple scénario futuriste.
Mais revenons-en aux bases : qu'est-ce qu'un ordinateur quantique au juste ? Et pourquoi est-il en mesure de calculer si rapidement ?
L'univers quantique – le monde de l'infiniment petit
Depuis des décennies, les puces grâce auxquelles les ordinateurs effectuent leurs calculs sont de plus en plus petites, plus rapides et plus puissantes. Selon la loi de Moore, le nombre de transistors sur une puce informatique double environ tous les deux ans.
Extrait de la vidéo, avec Michèle Weber, médiatrice scientifique au sein du FNR, présentant la loi de Moore et des illustrations de puces informatiques.
Autrement dit, les puces informatiques sont de plus en plus compactes et de plus en plus performantes.
Les transistors, ces minuscules circuits utilisés pour effectuer les calculs, ne mesurent souvent plus que quelques nanomètres sur les puces informatiques modernes. Un nanomètre correspond à un milliardième de mètre. C'est donc incroyablement petit !
À ce niveau, nous nous rapprochons peu à peu d'une limite : celle qui sépare la physique classique de la physique quantique. Si les puces continuent à se miniaturiser, d'autres lois physiques entrent en jeu : celles de la physique quantique. Elles sont très étranges, car elles ne reflètent pas notre perception habituelle du monde.
Dans le monde que nous connaissons, celui de la physique « normale », un interrupteur est soit allumé, soit éteint. Un ballon est soit dans le but, soit à côté.
Dans le monde de l'infiniment petit, l'univers quantique, d'autres règles s'appliquent. On se situe au niveau d'atomes individuels ou de particules encore plus petites, comme les électrons. Et ces particules peuvent être présentes à différents endroits en même temps et adopter simultanément divers états.
Ce principe est difficile à imaginer et semble absurde, mais il est déjà connu depuis cent ans et a souvent été confirmé empiriquement.
Comment fonctionne un ordinateur quantique ?
Les ordinateurs quantiques exploitent différents phénomènes de cet univers quantique à leur avantage.
Les ordinateurs classiques utilisent des bits pour calculer. Il s'agit de ces petits circuits sur une puce que nous avons déjà évoqués et qui sont soit allumés, soit éteints. Un bit peut donc prendre la valeur 0 ou 1. Toute information traitée par un ordinateur, chaque image, chaque e-mail, chaque application, se présente en fin de compte sous la forme d'une suite de 0 et de 1.
Un ordinateur quantique utilise ce qu'on appelle des bits quantiques, ou « qubits ». Ils sont constitués d'atomes, d'ions, d'électrons, de photons ou d'autres particules de l'univers quantique. En physique quantique, ces qubits peuvent non seulement prendre les valeurs 0 ou 1, mais aussi les deux à la fois – et toutes celles comprises entre les deux. Il y a donc beaucoup plus de possibilités en même temps. C'est ce qu'on appelle la superposition.
Pour illustrer l'effet produit, on prend souvent l'exemple d'un GPS ou du meilleur itinéraire pour livrer des colis : alors qu'un ordinateur classique teste chaque itinéraire de manière séquentielle, un ordinateur quantique est en mesure de les tester tous simultanément, ce qui est évidemment plus rapide.
À cela s'ajoute un deuxième phénomène : deux qubits peuvent être liés de telle manière que l'état de l'un influence directement celui de l'autre, quelle que soit la distance qui les sépare.
C'est ce qu'on appelle l' intrication. Einstein appelait d'ailleurs ce phénomène une « action fantôme à distance ».
Grâce à l'intrication, les qubits peuvent mieux interagir au sein d'un système et écarter beaucoup plus vite les mauvaises solutions, ce qui contribue aussi à rendre l'ordinateur quantique plus rapide, à condition de parvenir à contrôler ces effets d'intrication et de superposition. Et ce n'est malheureusement pas si évident et très coûteux en ressources – un inconvénient majeur des ordinateurs quantiques.
Pour qu'un ordinateur quantique fonctionne, les qubits doivent être soigneusement isolés du reste du monde.
Il faut par exemple d'excellentes chambres à vide, et certains systèmes doivent être refroidis jusqu'à -273 °C, une température plus froide que celle qui règne dans l'espace.
Il faut aussi faire en sorte que les qubits interagissent le moins possible avec le monde extérieur pour éviter de perturber ce système sensible.
Donc non, il ne faut pas s'attendre à voir un ordinateur quantique dans votre smartphone de sitôt.
Quand l'ordinateur quantique arrivera-t-il ?
Et vous ne disposerez pas non plus d'un ordinateur quantique à la maison dans un avenir proche.
Cela reviendrait un peu à imaginer que les gens auront bientôt une centrale nucléaire dans leur cave.
Pour l'instant en tout cas, les ordinateurs quantiques sont d'immenses appareils dorés, qui ressemblent à des lustres installés au milieu d'un laboratoire spécialement isolé.
Ils s'adresseront plutôt aux grandes entreprises, aux institutions de recherche et aux gouvernements, avec un accès par le cloud pour des usages spécifiques, mais ne s'adresseront pas au grand public.
Les ordinateurs quantiques les plus performants ne comptent aujourd'hui encore que quelques centaines de qubits. Pour compromettre nos techniques de chiffrement actuelles, il faudrait plutôt plusieurs millions de qubits stables. Dans ce domaine, il n'y a donc pas encore de danger pour l'heure.
Florian Kaiser précise aussi qu'actuellement, les ordinateurs quantiques font encore trop d'erreurs de calcul, parce qu'ils ne sont pas encore suffisamment bien isolés du monde extérieur.
Mais les progrès vont bon train.
Conclusion
Les ordinateurs quantiques ne relèvent plus de la science-fiction. Ils exploitent les règles étranges de la physique quantique pour résoudre des problèmes hors de portée des ordinateurs classiques.
C'est donc une immense opportunité pour la médecine, la recherche et l'économie. Et c'est pourquoi tant de pays et d'entreprises investissent dans cette technologie. Au Luxembourg aussi, nous nous sommes dotés d'une stratégie quantique nationale.
Mais les ordinateurs quantiques ne remplaceront pas votre ordinateur portable. Et ils pourraient devenir une menace pour notre sécurité numérique.
À quel moment maîtriserons-nous suffisamment cette technologie complexe des ordinateurs quantiques pour pouvoir vraiment nous lancer ? Il est impossible de le dire avec précision. Mais des mesures sont déjà prises pour nous préparer à ce scénario.
Auteur : Jean-Paul Bertemes (FNR)
Édition : Michèle Weber, Linda Wampach, Anouk Ewen (FNR)
Examen par les pairs : Florian Kaiser, Luxembourg Institute of Science and Technology (LIST)
Traduction : Nadia Taouil (www.t9n.lu)
Réalisation & montage de la vidéo: Dominique Weber (SKIN)
Caméra: Constantino Danopoulos (SKIN)
Teleprompter : Max Stoltz (SKIN)
Illustrations : George Dos Santos, Noémie Brück, Anton Stepine (SKIN)
