Capacité de calcul hors du commun, téléportation, réseau de télécommunication utilisant l’intrication quantique... pas une année sans que la presse scientifique ne rapporte les avancées chinoises dans ce domaine de pointe et encore balbutiant qu’est l’informatique quantique. Mais de quoi s’agit-il au juste ? Une science aux enjeux colossaux, où, comme avec la 5G, l’intelligence artificielle ou les biotechnologies, les puissances du globe entrent en compétition.

Un nouveau secteur technologique bouillonne : celui de l’informatique quantique. Ses acteurs, nations, organisations et entreprises, de plus en plus nombreux, jouent des coudes pour tenter de devenir leaders du domaine et commercialiser leurs technologies. L’été 2021 aura été marqué par un nouveau coup d’éclat des Chinois : l’équipe de Pan Jianwei, de l’Université des sciences et technologies de Chine (USTC) à Hefei (province de l’Anhui), a assuré en juin dernier avoir créé le processeur d’informatique quantique le plus rapide au monde, dépassant le record précédent (bien que non vérifié) prétendu détenu par Google et son appareil Sycomore depuis 2019. L’appareil, d’une puissance de 66 « qubits », contre 53 pour l’ordinateur de Google, aurait effectué un calcul complexe qui aurait normalement pris 8 ans à un supercalculateur classique actuel et en seulement un peu plus d’une heure à peine.

Ce n’est pas la première fois que Pan Jianwei, surnommé en Chine le « père de la physique quantique », et ses chercheurs, se sont fait remarquer. Pas plus tard qu’en décembre 2020, ces derniers avaient également annoncé avoir obtenu un « avantage quantique » (c’est-à-dire dans le jargon scientifique, une puissance de calcul significative) à l’Université des sciences et technologies de Chine à Shanghai, grâce à un prototype d’ordinateur quantique particulier utilisant un nouveau type de technologie basée sur les photons : l’appareil aurait, selon la partie chinoise, opéré en 200 secondes un calcul qui aurait pris 2,5 milliards d’années au meilleur superordinateur chinois, une première. Depuis les débuts de cette discipline fort pointue, l’informatique quantique n’a eu de cesse de ressembler à une partie de ping-pong où la rivalité sino-américaine se fait toujours plus sentir. Fin 2021, la presse semble donner l’avantage à la Chine.

Professeur et étudiants à l’USTC de Hefei en Chine en 2017 © JIN Liwang/Xinhua

Qubit, supercalculateurs, avantage quantique... Quésaco ?

Mais en quoi consiste l’informatique quantique et pourquoi ses développements sont-ils importants ? L’informatique quantique est un sous-domaine de l’informatique qui tente de dépasser les limites de l’informatique classique en ayant recours à certaines lois de la physique quantique.

En effet, la miniaturisation croissante des composants électroniques, qui a permis l’essor d’ordinateurs plus performants toujours plus petits, s’essouffle à mesure qu’elle atteint certaines limites physiques. C’est-à-dire qu’au-delà d’une certaine taille, il sera difficile de faire plus petit, du moins à un coût acceptable, et donc d’emmagasiner une puissance de calcul toujours plus croissante sur un espace plus réduit. En outre, certains calculs mathématiques complexes peuvent demander encore aujourd’hui un temps très long, des journées entières, même aux plus puissants des supercalculateurs. Précisons tout de suite : un supercalculateur est un ordinateur conçu pour les plus hautes performances, mais avec les technologies « classiques » d’aujourd’hui. Les plus puissants aujourd’hui sont le Fugaku de Fujitsu et le Summit d’IBM. Ils n’ont rien à voir avec les technologies quantiques.

© JIN Liwang/Xinhua

Pour pallier cela, les chercheurs s’appuient sur la notion de « superposition quantique » : en mécanique quantique, une particule, à partir du moment où elle n’a été ni observée, ni mesurée, peut présenter plusieurs « états » en même temps. Cette superposition « disparaît » aussitôt à l’observation, comme dans la célèbre illustration du chat de Schrödinger (voir ci-contre). Une propriété des particules quantiques qui dépasse l’entendement humain, mais qui a des implications bien réelles. Illustration : si la plus petite unité de stockage en informatique classique, le bit, est composée de 1 et de 0, le qubit, son équivalent en informatique quantique, peut être à la fois 1 et 0. C’est cette superposition d’états qui permet à l’informatique quantique de décupler sa force de calcul en prenant en compte, en même temps, toutes les possibilités dans un calcul. Plus la puissance de calcul en qubit est élevée, plus la capacité à prendre en compte des résultats différents par l’appareil augmente exponentiellement. Ainsi, dans 2 qbits, il y a 4 états possibles (00, 11, 01, 10), soit 2-puissance-2 états possibles ; dans 50 qbits, il y a 2-puissance-50 résultats possibles, soit un million de milliards. On parle « d’avantage quantique » dès lors que l’ordinateur quantique est capable de traiter un calcul qu’un superordinateur classique ne peut plus traiter dans un délai raisonnable.

Les technologies quantiques en pratique ? Pas pour tout de suite

• Ordinateurs

L'ordinateur quantique d'IBM. IBM Research Via Flick'r, 2018.

Comme dit plus haut, une des premières applications des technologies quantiques sera faite dans l’utilisation de la force de calcul des ordinateurs quantiques. Aujourd’hui, aucun de ces ordinateurs n’a d’application pratique, et il faudra attendre plusieurs années avant de commercialiser de tels appareils. Très certainement, ils ne seront pas utilisés pour y faire tourner des applications logicielles, comme des jeux vidéo ou un système d’exploitation du type Windows. Leurs tâches resteront probablement spécifiques, comme par exemple, cantonnées au traitement de données massives utile au développement de l’intelligence artificielle ou encore à la cryptographie, utilisée pour protéger les connexions et les données. Un peu comme les cartes graphiques d’ordinateur, dédiées spécifiquement à l’affichage... En termes de puissance, la Chine semble aujourd’hui en tête au vu des dernières expérimentations de juin dernier. Mais l’appareil n’est pour le moment pas franchement programmable et les capacités sont encore un peu loin des besoins des entreprises... Face aux Chinois, Google et IBM demeurent les concurrents les plus sérieux et en sont à un stade assez équivalent. Jusqu’à présent tous se renvoient la balle chaque année en prétendant avoir construit l’appareil le plus prometteur dans une course aux qubits ou aux exploits quantiques... Déjà Google, avec son processeur quantique Sycamore, s’est empressé en septembre dernier de déclarer avoir réussi à créer un « cristal temporel » pour la première fois (forme de matière dans laquelle le changement perpétuel d’état de celle-ci ne présente pas de perte d’énergie, contredisant les règles de la thermodynamique). L’Europe a également réussi à obtenir un avantage quantique cette année lors d’une expérience incluant des chercheurs français du CNRS.

"Les ordinateurs quantiques ne sont pour le moment pas franchement programmables et leurs capacités sont encore un peu loins des besoins des entreprises."

• Réseaux

L’autre application des technologies quantiques, ce sera l’Internet quantique. Les propriétés farfelues des particules quantiques, des photons plus particulièrement, permettront la création d’un réseau aux capacités hors normes, autant en termes de débit que de rapidité. En effet, en réduisant l’information à des photons uniques plutôt que des faisceaux lumineux sur câble optique, les débits pourront être augmentés considérablement et à terme, les économies d’énergie aussi. De plus, les communications sur un tel réseau seront réputées sûres et inattaquables. En effet, souvenez-vous : la superposition d’états disparaît dès qu’il y a « observation ». Les scientifiques pensent que la présence d’un hacker sur le réseau quantique pour intercepter une information altérerait le signal émis et serait donc aussitôt détectée. La Chine a ainsi, dès 2017, mis en place une ligne de communication quantique avec 2 000 km de fibre optique reliant Pékin à Jinan, Hefei et Shanghai. La ligne, expérimentale, est utilisée actuellement notamment par certaines banques pour transmettre leurs données les plus sensibles. Si des expériences similaires ont eu lieu notamment en Suisse ou aux États-Unis, aucun des deux pays n’a construit d’infrastructure durable de ce genre.

Mieux : en 2016 déjà, les Chinois avaient aussi établi un record en établissant une communication vidéo inattaquable entre Vienne et Pékin, cryptée par des clés quantiques envoyées par signal photonique via l’un de leurs satellites dédié à la recherche en réseau quantique, le fameux Micius, toujours en activité.

• Téléportation

Source : Pixabay

Oui, vous avez bien lu. En fait, il s’agit d’un système de communication, et non d’une technologie permettant le transfert de matière à travers l’espace comme dans Star Trek. Celle-ci s’appuie sur une autre propriété étrange des particules quantiques : l’intrication. En un mot : quand des particules sont intriquées, elles partagent les mêmes propriétés. C’est-à-dire que dès que l’on mesure les propriétés de l’une (souvenez- vous, une particule quantique présente toutes les propriétés possibles à la fois tant qu’elle n’est pas observée), toutes les autres prennent aussitôt la même valeur, de manière instantanée. Grâce à l’intrication, on pourrait donc envoyer des informations très rapidement et ce, théoriquement, peu importe la distance... Les pionniers en la matière sont les Autrichiens autour du scientifique Anton Zeillinger, mais Pan Jianwei et son équipe chinoise détiennent encore le record de la plus longue distance de téléportation avec une expérience réussie sur 1 400 km, grâce encore au satellite Micius, en 2017.

"Le pays qui arrivera à se doter de la technologie quantique bénéficiera d'un réseau inviolable et rendra complètement obsolètes toutes les techniques de cryptage classiques déployées par l'adversaire pour se protéger."

Une course aux implications hautement géopolitiques

Pour beaucoup d’acteurs internationaux, les implications du développement de telles technologiques inquiètent. Car elles seront révolutionnaires : le pays qui arrivera à se doter en technologie quantique bénéficiera d’un réseau de communication inviolable, et rendra complètement obsolètes toutes les techniques de cryptage classiques déployées par l’adversaire pour se protéger, car les ordinateurs quantiques trouveront en un tour de main le moyen de casser toutes les barrières cryptographiques. Autrement dit, les pays sans « avantage quantique », leurs armées, leurs industries, leurs télécommunications, seront à la complète merci des hackers des puissances quantiques. Une perspective qui ne laisse plus personne indifférent à l’heure où le cybercrime explose, les pirates profitant de la crise sanitaire pour multiplier les attaques, faisant de la cybersécurité le tendon d’Achille de nombre d’entreprises en 2021.

En outre, les capteurs quantiques de photons développés pour l’occasion permettront de détecter par exemple, des appareils militaires aériens furtifs jusque-là difficilement détectables. Là aussi une avance que semble prendre la Chine, remettant en cause l’avantage de l’armée américaine dans la furtivité. L’Académie chinoise des Sciences aurait même laissé entendre en 2019 que des chercheurs travailleraient sur un projet d’appareil quantique capable de détecter avec plus de précision et à davantage de profondeur, des objets sous-marins. Bref, en pleine rivalité sino-américaine, le secteur est stratégique et la tension est à son comble. Une tension dont témoigne par exemple, la tragédie de Zhang Shoucheng. Une excellente enquête de The Wire publiée en 2020 révèle comment ce scientifique américain d’origine chinoise, professeur de physique quantique à Stanford et potentiel lauréat du prix Nobel, se serait suicidé en 2018 – peut-être, à moins qu’il ne s’agisse d’un meurtre – à la suite de pressions des autorités américaines exercées sur lui depuis que le scientifique aurait renoué des liens avec son pays d’origine. Une des premières victimes collatérales de la rivalité sino-américaine dans le domaine quantique ?

La question que tout le monde se pose est celle-ci : la Chine est-elle en avance sur les États-Unis dans le domaine des technologies de l’information quantique ? La réponse dépend de la façon de regarder les choses. Tout d’abord, toutes ces avancées techniques restent au stade expérimental. Il n’y a aujourd’hui aucune application pratique de la téléportation quantique, ni des processeurs quantiques. L’Internet quantique lui-même se heurte à des limites. Par exemple, le satellite Micius ne fonctionne que lorsque le signal de photon émis vers un récepteur sur Terre est en ligne droite, de nuit et sans obstacles : pour développer un vrai réseau, il faudrait lancer une grande quantité de satellites similaires... De même, la ligne quantique Pékin-Shanghai n’est pas complètement sûre : pour garder la qualité du signal, des « nœuds » ont été établis tous les 100 km pour réamplifier celui-ci, or ces nœuds doivent d’abord convertir le signal quantique en signal classique pour ce faire et il est donc techniquement possible de hacker la ligne au niveau de ses nœuds... Quant à l’argument fréquemment avancé du nombre de brevets, si la Chine en a certes déposé bien plus au total dans tout le spectre de la technologie quantique, on peut objecter que les entreprises américaines ont une avance considérable en la matière pour y avoir travaillé depuis les années 90... Enfin notons que partout, les gouvernements investissent des fonds publics dans le secteur, en Europe (en France par exemple avec le « Plan quantique » lancé début 2021 et son 1,05 milliard d’euros), en Amérique du Nord (les États-Unis ont prévu de dépenser pas moins de 1,3 milliard de dollars sur 2019-2023), en Chine (près d’1 milliard de dollars auraient été dépensés sur 2006-2020 selon les sources officielles). Singapour, le Canada, le Japon sont dans la course aussi.

Dans un article publié fin 2019 sur son compte WeChat, l’Académie chinoise des Sciences admet pourtant le retard de la Chine dans le domaine face à des leaders comme Google. Le pays serait ainsi toujours en « phase de rattrapage », même si les scientifiques chinois avancent à grands pas. Alors 2022 sera-t-elle l’année charnière ? Les jeux ne sont pas faits. Digne d’une course pour la Lune, celle pour la suprématie quantique vaudra la peine d’être observée de près.

© ZHONG Xin/CNS

Photo du haut : des appareils quantiques chinois utilisés dans une expérience de 2020. Pour la première fois, une équipe de scientifiques utilisent les photons de la lumière pour créer un système de calcul informatique quantique. Une alternative aux techniques qui utilisent les matières supraconductrices, préférées notamment aux États-Unis. © Xinhua

Publié le 15 Novembre 2021 par Kavian ROYAI sur Chine-Info.com

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