Une force de la nature
L’univers atomique est fort étrange. Raymond Laflamme, de la University of Waterloo, travaille avec d’autres chercheurs à percer ses mystères et à exploiter les forces quantiques pour construire un nouveau genre d’ordinateur.
Raymond Laflamme croit que l’informatique quantique causera un bouleversement technologique.
Le directeur du Institute for Quantum Computing, à la Waterloo University, l’apparente à des percées telles que la maîtrise du feu et l’invention de la roue. « Chaque fois que l’être humain parvient à maîtriser une nouvelle force naturelle, il s’ensuit des changements technologiques et sociaux. »
La force naturelle dont parle M. Laflamme est celle qui gouverne le comportement de la matière à l’échelle atomique et subatomique. L’univers chaotique de la mécanique quantique défie à tout moment les lois physiques énoncées par Isaac Newton. Par exemple, au niveau atomique, une particule peut être simultanément en deux endroits ou dans deux états, un phénomène connu sous le nom de « superposition ». Comment est-ce possible? Mieux vaut ne pas poser la question! Les scientifiques qui ont les premiers décrit cet univers étrange en ont été eux-mêmes troublés. « Celui qui se dit capable de parler de théorie quantique sans avoir l’impression de perdre la tête n’y a absolument rien compris », a déjà affirmé Niels Bohr.
Les principes de la mécanique quantique ont cependant été vérifiés en laboratoire. Appliqués à l’informatique, ils marqueront le début d’une nouvelle révolution. Grâce à des installations financées en partie par le Fonds ontarien pour l’innovation, M. Laflamme travaille avec d’autres chercheurs à mettre à profit les phénomènes quantiques, comme celui de la superposition, afin de créer des ordinateurs d’une puissance quasi inimaginable. Il prévient contre la tentation d’assimiler le changement à l’introduction d’une nouvelle génération de puces. Au contraire, l’informatique quantique « va complètement révolutionner la manière dont nous manipulons l’information » (voir Bits et qubits).
Les premières applications seront vraisemblablement dans le domaine de la cryptographie, qui est le principal sujet de recherche à ce moment-ci. Les systèmes de codage existants sont, à toutes fins pratiques, inviolables—il faudra des milliards de nos ordinateurs actuels ou des milliards d’années pour déchiffrer les plus sophistiqués. Mais d’ici quinze ou vingt ans, les ordinateurs quantiques pourront en venir à bout en quelques jours ou quelques heures. La bonne nouvelle, c’est que la cryptographie quantique offrira une nouvelle panoplie pour la sécurisation des données. De fait, des techniques élémentaires de cryptographie quantique sont déjà couramment utilisées.
Bien sûr, les ordinateurs quantiques de demain faciliteront considérablement la modélisation de l’étrange dynamique caractérisant l’univers atomique et subatomique—une tâche qui fait vite surchauffer les processeurs classiques. Ceci promet en retour de bouleverser d’autres domaines, comme l’élaboration des médicaments, et pourrait conduire à la création de nouveaux matériaux.
La technologie a ses points faibles, lesquels semblent eux-mêmes receler des possibilités intéressantes. Il y a par exemple l’extrême sensibilité des systèmes quantiques qui, selon M. Laflamme, aboutira à la création de nouveaux types de capteurs. Combinés à l’informatique quantique, ces capteurs pourraient permettre la saisie et le traitement de quantités massives de données et ouvrir la voie à une nouvelle ère de découverte pour l’humanité. « Je crois que cette technologie nous ouvrira la porte d’un nouveau monde », dit-il, « qu’elle amènera de nouvelles méthodes de traitement de l’information. Je pense notamment à la téléportation quantique. »
Combien de temps encore ces percées se feront-elles attendre? Moins longtemps qu’on ne le croyait il n’y a pas si longtemps. « Quand j’ai commencé à travailler dans ce domaine, il y a dix ans, les gens pensaient qu’il faudrait de 50 à 100 ans avant qu’on ne construise les premiers ordinateurs quantiques. » Maintenant, le délai a été ramené à 15 ou 20 ans.
M. Laflamme précise toutefois que l’on n’a pas encore franchi le cap de l’ingénierie et compare les plans actuels aux dessins d’avions à ailes mobiles.
Pour ce qui est de prévoir les applications de la future technologie, M. Laflamme fait preuve de prudence, mais d’une prudence empreinte d’optimisme. « Dans 30 ou 40 ans d’ici, les applications importantes ne seront peut-être pas celles que j’ai mentionnées, mais une chose reste certaine selon moi, c’est que cette technologie va changer notre société. »
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« La possibilité est là, et j’entends bien la saisir. » Un grand physicien est rentré au Canada pour aider à y construire l’ordinateur de demain. Raymond Laflamme a le vent dans les voiles depuis l’obtention de son baccalauréat, à l’Université Laval, et son départ pour Cambridge, en 1983. Durant ses années à la célèbre université britannique, M. Laflamme a eu le privilège de travailler étroitement avec le célèbre Stephen Hawking et a, dans une certaine mesure, influencé sa Brève histoire du temps. Après un passage à la University of British Columbia, M. Laflamme est retourné pendant un certain temps à Cambridge pour aboutir au Alamos National Laboratory du Nouveau-Mexique en 1992. Là, il a dirigé un projet de recherche dans le domaine très exotique de l’informatique quantique. La création du Institute for Quantum Computing, un institut d’informatique quantique financé en partie par le Fonds ontarien pour l’innovation, l’a finalement amené à la University of Waterloo. « J’ai le sentiment qu’ici je vais pouvoir construire de toutes pièces quelque chose de nouveau, faire quelque chose de vraiment extraordinaire. La possibilité est là, et j’entends bien la saisir. » La citation ci-dessus est la traduction d’un commentaire rapporté dans le Waterloo Record du 3 janvier 2004. |
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Puissance exponentielle : bits et qubits
La plus petite unité d’information pouvant être manipulée par l’ordinateur sur votre bureau s’appelle « bit ». Représentés par un chiffre du système binaire, les bits se voit chacun attribuer la valeur 1 ou 0 (activés ou désactivés). Sur une puce de silicium, cette valeur correspond à la présence ou à l’absence de charge électrique.
En informatique quantique, les unités d’information, appelées « bits quantiques » ou « qubits », sont enregistrées au moyen de molécules dont on modifie l’état quantique en faisant appel à des technologies telles que la résonance magnétique nucléaire. Suivant le principe de la superposition, ces molécules peuvent être simultanément dans deux états, de sorte qu’un qubit peut représenter en même temps deux valeurs binaires—1 et 0.
Voilà où les choses deviennent intéressantes d’un point de vue mathématique. Dans un ordinateur classique à deux bits, par exemple, quatre combinaisons de valeurs sont possibles (00, 01, 10 et 11), une à la fois. Dans un ordinateur quantique à deux qubits, à cause de la superposition, chaque caractère peut être 1 et 0 en même temps, et les quatre combinaisons peuvent donc être enregistrées simultanément. L’ajout d’un bit à l’ordinateur classique permet huit combinaisons de trois caractères, mais il reste impossible d’en enregistrer plus d’une seule. L’ajout d’un qubit à l’ordinateur quantique porte le nombre de combinaisons possibles à huit, toutes utilisables en même temps. Chaque qubit additionnel double la capacité de l’ordinateur—et, comme dans toute progression géométrique, les chiffres deviennent alors vite très gros.
Naturellement, les meilleurs ordinateurs de bureau traitent aujourd’hui l’information en blocs de 64 bits, alors que les ordinateurs quantiques expérimentaux ne dépassent pas 10 qubits. Vers 30 qubits, on aura triplé la puissance des superordinateurs actuels.
Et chaque qubit additionnel augmentera exponentiellement cette puissance.
La plus petite unité d’information pouvant être manipulée par l’ordinateur sur votre bureau s’appelle « bit ». Représentés par un chiffre du système binaire, les bits se voit chacun attribuer la valeur 1 ou 0 (activés ou désactivés). Sur une puce de silicium, cette valeur correspond à la présence ou à l’absence de charge électrique.
En informatique quantique, les unités d’information, appelées « bits quantiques » ou « qubits », sont enregistrées au moyen de molécules dont on modifie l’état quantique en faisant appel à des technologies telles que la résonance magnétique nucléaire. Suivant le principe de la superposition, ces molécules peuvent être simultanément dans deux états, de sorte qu’un qubit peut représenter en même temps deux valeurs binaires—1 et 0.
Voilà où les choses deviennent intéressantes d’un point de vue mathématique. Dans un ordinateur classique à deux bits, par exemple, quatre combinaisons de valeurs sont possibles (00, 01, 10 et 11), une à la fois. Dans un ordinateur quantique à deux qubits, à cause de la superposition, chaque caractère peut être 1 et 0 en même temps, et les quatre combinaisons peuvent donc être enregistrées simultanément. L’ajout d’un bit à l’ordinateur classique permet huit combinaisons de trois caractères, mais il reste impossible d’en enregistrer plus d’une seule. L’ajout d’un qubit à l’ordinateur quantique porte le nombre de combinaisons possibles à huit, toutes utilisables en même temps. Chaque qubit additionnel double la capacité de l’ordinateur—et, comme dans toute progression géométrique, les chiffres deviennent alors vite très gros.
Naturellement, les meilleurs ordinateurs de bureau traitent aujourd’hui l’information en blocs de 64 bits, alors que les ordinateurs quantiques expérimentaux ne dépassent pas 10 qubits. Vers 30 qubits, on aura triplé la puissance des superordinateurs actuels.
Et chaque qubit additionnel augmentera exponentiellement cette puissance.
