Informatique quantique : en quoi ça consiste exactement ?

La journée du 14 avril est la journée mondiale de l'informatique quantique !

L’informatique quantique ou quantum computing fait référence à la mécanique quantique qu’un système va exploiter pour calculer des sorties. Concrètement, dans un ordinateur quantique, les bits utilisés pour encoder l’information (sous forme de 0 et 1) peuvent prendre d’autres états. On parle de « superposition d’états » qui  donne la possibilité à un bit de posséder une « infinité de valeurs ». Cette particularité permet aux systèmes quantiques de surpasser les ordinateurs classiques dans de nombreux domaines. Mais les concepts de systèmes, ordinateurs, et informatique quantiques restent encore assez flous même pour les professionnels de l’IT. C’est pourquoi dans cet article, nous vous proposons de découvrir en quoi consiste exactement (et simplement !), l’informatique quantique. 

Qu’est-ce que l’informatique quantique ?

L’informatique quantique désigne une forme de calcul qui exploite les propriétés collectives des états quantiques comme l’intrication (phénomène dans lequel 2 particules forment un système lié), l’interférence et la superposition. Pour réaliser ces calculs, elle a besoin d’ordinateurs et de systèmes quantiques. 

Qu’est-ce qu’un ordinateur quantique ?

Un ordinateur quantique s’apparente davantage à un supercalculateur qu’à un pc classique. Il est capable d’exécuter des algorithmes quantiques puissants et spécifiques beaucoup plus rapidement qu’une machine ordinaire. Pour cela, il encode les informations sous n’importe quelle forme ou superposition de 0 et de 1. On parle alors de qubits.

Ces qubits peuvent ensuite encore être combinés pour représenter simultanément plusieurs états. Ces particularités permettent à l’ordinateur quantique d’effectuer de nombreux calculs en parallèle. 

Les ordinateurs quantiques ont également un aspect bien différent des pc classiques. Les qubits sont extrêmement fragiles et les modèles actuels doivent donc être complètement isolés de leur environnement et refroidis en permanence à un niveau proche du zéro absolu.

Les ordinateurs quantiques sont généralement suspendus avec des centaines de câbles.

Cependant, il existe en réalité une multitude de types d’ordinateurs quantiques reposant sur des qubits différents, on parle alors de systèmes quantiques.

Qu’est-ce qu’un système quantique ?

Les systèmes quantiques désignent la façon dont les qubits sont créés et utilisés par l’ordinateur quantique. Les bits quantiques sont en général créés à partir d’un certain nombre de systèmes isolés qui restent cohérents pendant l’exécution des algorithmes. Il s’agit notamment, des atomes « Rydberg » ultra-froids, des ions piégés et des photons.

Dans ce système, l’ordinateur stocke les informations dans les niveaux d’énergie des ions individuels ce qui conduit à la formation des qubits. Ensuite, des impulsions laser permettent de manipuler les états des qubits et de former des enchevêtrements entre eux pour les calculs.

D’autres systèmes quantiques sont basés sur des matériaux solides de la taille d’un micron. On parle alors d’« objets quantiques artificiels » qui comprennent des points quantiques (minuscules morceaux de matériau semi-conducteur) et des circuits supraconducteurs (fils métalliques ou plus récemment fibre optique) pour l’échange d’informations et les calculs.

L’informatique quantique : quels usages ?

Avec la fragilité des qubits et le fonctionnement bien particulier des systèmes quantiques, il est peu probable qu’un ordinateur quantique commercialement viable et grand public puisse être conçu. Cependant, et même si les systèmes quantiques ont à l’origine été créés pour effectuer les calculs de la recherche et de la mécanique quantique, leurs capacité et rapidité font qu’ils sont désormais utilisés dans d’autres secteurs.

La mise en place des systèmes quantiques dans le domaine bancaire

Depuis plusieurs années, les banques investissent dans les systèmes quantiques. C’est notamment le cas de la banque espagnole BBVA qui a recruté en 2020 une équipe d’experts en informatique quantique afin d’explorer le potentiel de ces systèmes dans les opérations bancaires. En France, le Crédit Agricole a signé un partenariat avec les spécialistes de la quantique Multiverse Computing Pascal. L’objectif : améliorer les algorithmes dans les domaines des marchés de capitaux et de la gestion des risques.

Selon différentes études menées par la BBVA et la société multiverse computing, l’apport des systèmes quantiques dans le secteur bancaire permettait aussi :

• d’automatiser la notation du crédit et la détection des fraudes ;

• de multiplier par 4 le rendement des traders ;

• de créer des outils beaucoup plus performants pour trier et analyser les informations des marchés ;

• d’utiliser plus efficacement des solutions d’optimisation du risque.

Les applications commerciales de l’informatique quantique

Selon une étude de l’IDC (International Data Corporation) parue en début d’année 2021, une entreprise sur 5 est intéressée par les systèmes quantiques et 2⁄3 prévoient d’investir pour expérimenter ces technologies dans les futures années. Leur objectif principal est d’améliorer et d’accélérer leurs processus, de renforcer leur secteur et d’obtenir un avantage concurrentiel.

Les fournisseurs de services cloud et des fournisseurs de logiciels indépendants proposent également de plus en plus de solutions basées sur le cloud quantique. Ils permettent aux entreprises et industries de tester facilement cette technologie, au travers des :

• QC IaaS : combinées d’infrastructure d’informatique quantique en tant que service ;

• QC PaaS plate-forme quantique en tant que service ;

• QC SaaS : logiciel quantique en tant que service.

De futurs développeurs quantiques ?

Au niveau gouvernemental, la France a également lancé dès 2021 un « plan quantique » qui repose sur un investissement de 1,8 milliard d’euros en faveur des technologies quantiques. 800 millions sont destinés uniquement au développement d’ordinateurs et systèmes quantiques.

Mais, le plan quantique doit également servir à financer « une centaine de bourses de thèse et une cinquantaine de contrats post-doctoraux », afin de former des experts compétents capables de faire fonctionner ces technologies quantiques.

En parallèle, IBM a créé dès 2021 le premier certificat de développeur quantique afin de fonder un écosystème mondial de développeurs capable d’utiliser l’informatique quantique. Pour l’obtenir, les programmeurs doivent maîtriser un ou des langages de programmation (notamment Q#, C#, Cirq ou Python), mais aussi les bases de l’informatique quantique, comme les matrices de Pauli, les États de Bell ou encore la sphère de Bloch.

Même si l’informatique quantique reste un concept complexe et perçu comme difficile à appréhender, l’intérêt et l’engagement des pays et des entreprises européennes dans des projets quantiques ne cessent de croître. Pour les développeurs, ingénieurs, etc., les systèmes quantiques pourraient représenter très prochainement d’importantes opportunités d’emploi et de missions…

Sources et liens utiles :

La certification développeur quantique d’IBM.

Les études de la BBVA et de Multiverse sur l’informatique quantique et ses atouts pour le système bancaire (en anglais).