Des ordinateurs quantiques pour demain?

Les problèmes à résoudre afin de construire un ordinateur quantique
peuvent être classés en deux catégories : quincaillerie et
logiciels. Dans le premier cas, il faut apprendre à assembler un
système de taille macroscopique, c'est-à-dire qui compte
vraisemblablement plusieurs milliers ou plusieurs millions d'éléments
qui puissent exécuter une série d'opérations tout en maintenant un état
quantique cohérent.  Considérons le système très simple et typique
de la lumière envoyée contre une paroi avec deux fentes côte à côte. De
l'autre côté de cette fente, on voit sur le mur des raies de lumière
d'intensité variable, c'est ce qu'on appelle un spectre de diffraction.
Si on considère maintenant ce processus au niveau d'un seul grain de
lumière, dit photon. Dans l'interprétation actuelle de la mécanique
quantique, le photon, ou sa fonction d'onde, passe par les deux fentes
et ce n'est que lorsqu'il heurtera le mur et sera absorbé par un atome
à sa surface que sa position sera fixée. Puisque la distribution de
probabilité des photons suit les lois de l'optique, le patron de
diffraction prendra forme, doucement, au fur et à mesure que les
photons frapperont le mur. On peut aussi voir ce phénomène comme
l'interaction entre les fonctions d'onde qui arrivent de chacune des
deux fentes. Pour que le patron de diffraction se forme, il est
essentiel que les deux parties ne soient pas perturbées indépendamment
et qu'elles restent donc cohérentes, ou en phase, jusqu'au moment où
elles frapperont le mur.
Cette exigence n'est pas difficile à remplir pour la lumière car les
photons n'interagissent pas entre eux. À moins d'une collision, très
peu probable,  avec un atome dans l'air, la cohérence ne sera pas
perdue.

Malheureusement, pour fabriquer un ordinateur quantique, il faut à la
fois que les composantes de l'ordinateur puissent interagir entre elles
de manière complexe, afin d'exécuter le programme, tout en étant
isolées du reste du monde, afin de préserver la cohérence quantique de
l'ordinateur. Présentement, on sait construire des systèmes qui
satisfont à chacune des deux conditions séparément. Ainsi, on a réussi,
il y a une dizaine d'années, à préparer des amas de plusieurs dizaines,
ou même, plusieurs centaines d'atomes isolés dans un unique état
quantique, qu'on appelle le condensé de Bose-Einstein. Malheureusement,
l'identité des atomes disparaît dans cet état et il est donc impossible
de les programmer — tous les atomes opérant les mêmes opérations en
même temps, comme un seul gros atome.

Plusieurs solutions à ce problème sont à l'étude présentement. La
plupart ciblent des systèmes à l'échelle nanométrique maintenus à des
températures très faibles (une fraction de degrés Celsius au-dessus du
zéro absolu). Aucune solution n'est appropriée pour un vrai ordinateur
quantique et on ne sait pas si une telle solution existe. Quoi qu'il
arrive toutefois, ces études nous permettent de tester la mécanique
quantique et de vérifier, à des échelles atomiques, tous les concepts
qu'on croyait n'être que des questions de métaphysique.

Comme le rapport Philip Ball dans Nature, le cas des logiciels est
différent. Depuis qu'on a commencé à parler des ordinateurs quantiques,
il y a presque 15 ans, on ne connaît que deux algorithmes qui
gagneraient à être implémentés sur un ordinateur quantique :
l'algorithme de Schor, inventé en 1994, et qui permet de factoriser
rapidement un nombre en ces facteurs premiers, et l'algorithme de
Grover, développé deux ans plus tard, et qui offre une manière efficace
de faire une recherche dans une base de données.  Sinon, c'est le
néant. Pour le moment, il ne semble pas que les ordinateurs quantiques
puissent permettre le développement de jeux vidéo encore plus puissant
ou, paradoxalement, un calcul plus efficace des propriétés quantiques
des matériaux.

Heureusement pour les chercheurs du domaine, l'algorithme de Shor a
ouvert la porte à un financement considérable. En effet, la
factorisation de grands nombres est à la base de la cryptographie, ce
qui intéresse fortement les services de renseignements et l'armée, qui
représentent aujourd'hui la principale source de financement dans le
domaine.

Les travaux nécessaires pour le développement de l'ordinateur quantique
sont représentatifs de plusieurs des grandes questions de l'heure en
mettant l'accent sur la multidisciplinarité. Cette machine de rêve ne
verra le jour que grâce à une étroite collaboration entre physiciens,
chimistes, mathématiciens et informaticiens. Un pour tous et tous pour
un. Alexandre Dumas l'avait bien compris.

Articles de Nature sur les ordinateurs quantiques (en anglais) (Il semble que ces articles soient disponibles pour tous.)