Révolution quantique: qu’y gagnerons-nous?

Instituts de recherche, gouvernements et géants du numérique n’ont plus qu’un mot à la bouche : « quantique » ! Ils espèrent qu’en domptant les lois étranges de l’infiniment petit, les scientifiques créeront des technologies de rupture. Le Québec entend bien défendre sa place dans cette course effrénée.

Cela dit, le décollage imminent du quantique ne semble faire aucun doute. « Calcul Québec a acheté MonarQ pour former des programmeurs en quantique. L’idée est de se préparer, d’apprivoiser la machine et de ne pas manquer le train », explique Suzanne Talon, directrice générale de Calcul Québec, fébrile face au monstre de métal.

Calcul Québec n’est pas seul à y croire. Depuis quelques années, les grandes puissances financent massivement la recherche quantique. Selon un rapport de 2022 du Forum économique mondial, les investis­sements publics dans le domaine à l’échelle du globe excèdent désormais 30 milliards de dollars américains. Si la Chine, les États-Unis et l’Europe mènent la danse, le Canada n’est pas en reste. « Le Québec est la province qui investit le plus en ce moment. L’objectif du gou­vernement est que le quantique ne soit pas qu’un axe de recherche, mais que l’on passe bientôt au stade industriel », indique Christian Bassila. La province a promis de mettre 200 millions de dollars sur la table d’ici 2027, sans compter les quelque 400 millions consacrés à la zone d’innovation Sherbrooke quantique, un pôle public-privé en cours de construction. Outre l’ordinateur, on fantasme sur des réseaux de communication inviolables et des capteurs ultra-sensibles. Signe que le sujet devient incontournable, les géants du Web ont eux aussi rejoint la course : Google bien sûr, mais aussi Alibaba, Intel, Amazon, Microsoft et IBM s’affairent à construire leurs propres ordinateurs quantiques. À la clé : des machines aux capacités de calcul inégalées, inatteignables par des ordinateurs traditionnels.

Les efforts et les investissements sont-ils justifiés ? Le pari est assurément risqué. Pour certains scientifiques, inves­tir de telles sommes dans le quantique est un acte de foi. D’autres crai­gnent l’éclatement d’une bulle financière gonflée davantage par la spéculation que par la compréhension du véri­table potentiel de ces approches. Les enthousiastes, eux, voient plutôt le quantique comme un remède à bien des maux de notre époque. « Cela va avoir un impact concret sur beaucoup de choses, comme la découverte de médicaments et de matériaux, l’optimisation des réseaux de transport et d’énergie, la sécurisation des secteurs financier et bancaire, la modélisation des changements climatiques… Certes, personne ne sait quand l’ordinateur quantique sera prêt ; mais dans 10, 20, 30 ans, ce sera une réalité », affirme Samy Bjaiji, chargé de projet – adoption des technologies quantiques chez Québec Quantique, un organisme qui fait la promotion de la filière et rassemble ses acteurs.

En attendant, on s’équipe. En plus de MonarQ, le foisonnant écosystème québécois disposera sous peu d’un ordinateur quantique conçu par IBM, le cinquième de ce type dans le monde, qui sera installé à l’usine IBM de Bromont. Il sera géré par la Plateforme d’innovation numérique et quantique, un organisme à but non lucratif créé par l’Université de Sherbrooke et le ministère de l’Éco­nomie, de l’Innovation et de l’Énergie en 2020. Le processeur est un des plus puis­sants jamais mis au point (soit 127 qubits, les unités de base de l’information quantique). Même s’il est lui aussi inex­ploitable pour des projets pertinents sur le plan industriel, il permettra aux entreprises et aux universités de se familiariser avec la logique de la programmation quantique et de tester quelques algorithmes.

Enfin du concret

Imaginé dans les années 1980 par des adeptes de la physique théorique et des mathématiques, l’ordinateur quantique a longtemps paru impossible à fabriquer. « Mais il y a un change­ment de paradigme. Ce n’est plus uniquement de la théorie, des machines commencent à être mises à disposition en ligne », se réjouit Olivier Landon-Cardinal, qui enseigne la programmation quantique à l’École de technologie supérieure (ETS), où loge Calcul Québec.

Autre preuve que le rêve se concrétise doucement, le processeur Sycamore de Google a atteint en 2019 ce qu’on appelle l’« avantage quantique ». Ses 53 qubits ont réalisé un calcul (inutile, toujours) plus rapidement que ce qu’aurait pu faire un ordinateur standard. Un « ex­ploit » mis en doute par plusieurs spécialistes, mais qu’importe… « Le fait qu’on puisse croire à la capacité d’une puce arti­sa­nale de 53 qubits d’être plus rapide qu’un superordinateur, lequel a coûté un demi-milliard de dollars et dont le développement a pris des décen­­nies, c’est une réussite en soi ! » estime Alexandre Blais, professeur au Dépar­tement de physique de l’Université de Sherbrooke.

C’est un fait : depuis peu, des verrous techniques considérés comme infranchissables sautent les uns après les autres. « Il y a des difficultés, mais il n’y a plus de blocage. Il y a des percées tout le temps, et tout va toujours plus vite que ce que j’essaie de prédire », constate Alexandre Blais.

Il reçoit Québec Science dans les locaux flambant neufs de l’Institut quantique, dont il est le directeur scientifique. Inauguré en 2022 sur le campus de l’Université de Sherbrooke, ce cube de baies vitrées et de bois clair abrite une trentaine de scientifiques (et une centaine d’étudiants et étudiantes) leaders dans le domaine des matériaux, de l’infor­mation et de l’ingénierie quan­­tiques. Au rez-de-chaussée, un labo­­ratoire permet entre autres de plan­cher sur les com­posants d’un futur ordinateur.

Dans le bâtiment baigné de lumière, les espaces communs organisés autour d’un large vide central, tout en courbes, invitent à la collaboration. Partout, les murs noirs couverts d’équations griffonnées à la craie témoignent de ces échanges. Le ton est donné : la physique quantique est née sur papier, et elle reste avant tout un ensemble de concepts mathématiques. Ce qui la rend très complexe à vulgariser, même si ses lois, qui règnent à l’échelle des atomes et des particules, ont été maintes fois vérifiées expérimentalement.

Un monde contre-intuitif

Avant d’aller plus loin, il faut plonger un peu dans l’abstrait… Avec la théorie de la relativité générale (qui décrit l’infiniment grand), la mécanique quan­tique est le socle de la physique, élaboré au début du 20^e siècle. Un socle jamais pris en défaut, mais complè­tement déroutant. Les phénomènes quan­tiques sont aléatoires, discontinus et se traduisent en probabilités. À ces échelles minuscules, rien ne se passe « normalement ».

Chaque particule (atome, ion, photon) se comporte en fait comme une onde et peut ainsi se trouver à plusieurs endroits à la fois. Il en résulte une règle d’or, au cœur de tout le développe­ment tech­nologique dans le domaine : la superposition d’états. En effet, un système quantique peut être simulta­nément dans plusieurs états différents. L’état en question peut être la position, la vitesse, la polarisation dans le cas de la lumière, un niveau d’énergie dans le cas d’un électron ou quantité d’autres propriétés mesurables.

À l’instar d’une pièce jetée en l’air qui serait à la fois pile et face, ou du célèbre chat de Schrödinger, enfermé dans une boîte avec une fiole de poison, qui est mort et vivant tant qu’on n’a pas soulevé le couvercle pour vérifier son état. Car seul le fait de mesurer le système permet d’arrêter la superposition chaotique et de s’arrêter sur une des deux valeurs (0 ou 1 par exemple, ou bien la mort ou la vie !).

Les technologies quantiques tirent parti de cette étrange propriété. Alors que l’ordinateur classique fonctionne avec des transistors qui peuvent laisser ou non passer le courant (donc prendre seulement deux états, notés 0 et 1), l’ordinateur quantique fonctionne avec des qubits, qui peuvent être à la fois 0 et 1. Ou, plutôt, être dans une super­position de 0 et de 1, c’est-à-dire une combinaison de ces valeurs, chacune étant associée à une probabilité de survenir en cas de mesure. Ainsi, un système de seulement 50 qubits compte en théorie plus d’un million de milliards de configurations possibles ! C’est le secret de ces calcu­lateurs futuristes : ils peuvent opérer à une vitesse exponentielle en traitant toutes les possibilités simultanément.

« La superposition d’états est simple quand on y pense en termes d’ondes. Imaginons une corde de guitare. Je peux la faire osciller verticalement ou horizontalement. Mais si je la fais vibrer à 45 degrés, elle est à la fois horizontale et verticale, indique Philippe St-Jean, professeur au Département de physique de l’Université de Montréal. Les ingénieurs quantiques sont les luthiers du 21^e siècle, parce qu’ils fabriquent les meilleures caisses de résonance possible pour faire résonner non pas des ondes sonores, mais des ondes de lumière, des ondes électroniques. »

Quand on manipule ces ondes et qu’on les fait interagir entre elles, certaines « vagues » s’annulent, d’autres s’amplifient. Bref, elles interfèrent, ce qui permet de calculer et de mesurer. C’est ce jeu d’ondes qui est à la source de la deuxième révolution quantique, celle qui suscite tant d’engouement.

Vous avez bien lu : la première révolution quantique a déjà eu lieu, et a permis de mieux comprendre la lumière et la façon dont le courant électrique est conduit. « Elle a donné le transistor, à la base de tous les appareils électroniques, et le laser. On utilise pour cela des propriétés quantiques collectives des photons et des électrons. Avec la révo­­lution 2.0, on contrôle des systèmes quantiques individuels : un atome, un photon, un qubit. Ce qui ouvre beaucoup de possibilités », explique Olivier Landon-Cardinal.

Le fait de jouer avec des « objets » uniques permet aussi d’exploiter un autre phénomène quantique, de loin le plus bizarre de tous : l’intrication. Cette connexion immatérielle lie deux particules de façon inextricable, quelle que soit la distance qui les sépare. Si l’état de l’une d’elles se modifie, celui de sa « ju­melle » change de façon instantanée, comme s’il s’agissait d’un seul et même système. Disons-le clairement : on est presque dans le registre de la magie puisqu’aucune force, aucun contact n’opère entre les membres du duo.

« L’intrication est la propriété qui distingue le plus la physique quantique de la physique classique. Il semble que la puissance de l’ordinateur quantique résulte de l’intrication encore plus que des superpositions d’états », résume Alexandre Blais. Le fait d’intriquer des qubits permet notamment de leur faire exécuter des commandes de façon coordonnée, et donc de réaliser une succes­sion de changements d’état (passer de 0 à 1 par exemple) pour exécuter des algorithmes.

Avec une équipe de l’École poly­technique fédérale de Zurich, Alexandre Blais teste les limites du phénomène. Le groupe a réussi à intriquer deux objets séparés de 30 mètres, dans un immen­se laboratoire en Suisse, ce qui a fait l’objet d’une publication en mai 2023 dans Nature.

Les objets en question, ce sont des qubits dits supraconducteurs, du même type que ceux qui composent les ordinateurs expérimentaux d’Anyon et d’IBM. Si ce ne sont pas les seuls qubits prometteurs, ils sont la voie privilégiée par l’écosystème québécois et par la plupart des poids lourds de l’industrie. « On pense que, pour avoir un ordinateur quantique de taille utile, il faudra connecter plusieurs processeurs de taille modeste. C’est l’intrication qui leur permettra d’agir comme un seul ordinateur ; l’expérience à Zurich est le premier pas vers cela », explique le chercheur. Cette démonstration est un pied de nez aux prédictions théoriques : « construire un ordinateur quantique, c’est contourner le principe qui veut que, lorsque la taille des systèmes augmente, on retombe dans la physique classique ».

Encore loin du compte

Sous l’impulsion de la recherche privée, les qubits supraconducteurs ont pris une longueur d’avance. En novem­bre 2022, IBM a présenté son processeur Osprey, constitué de 433 qubits de ce type, un record. La machine d’Anyon, MonarQ, aura 24 qubits – ce qui reste un beau terrain d’entraînement.

« Le nec plus ultra pour l’instant, c’est de 50 à 100 qubits. Mais pour avoir un ordinateur vraiment efficace, on pense qu’il faudrait en avoir un million ! La difficulté est la mise à l’échelle, notamment des systèmes de refroidissement », dit Christian Bassila.

Dans les locaux d’Anyon Systèmes, justement, un groupe est en pleine conférence technique autour d’un « réfri­gérateur à dilution ». Sorte de lustre doré constitué de plusieurs plateaux reliés par des câbles, c’est l’objet emblématique de l’informatique quantique et celui qui illustre joliment les articles sur le sujet. Il permet de maintenir les qubits à près de -273 °C, tout près du zéro absolu, condition requise pour que l’aluminium soit supraconducteur (c’est-à-dire qu’il conduise parfaitement les électrons, et qu’il acquière ses propriétés quantiques).

« La minuscule puce est logée dans l’étage inférieur de cette tour », indique Gabriel Éthier-Majcher, qui dirige l’équipe de physique quantique d’Anyon, en désignant le « lustre ». « On utilise un mélange de deux isotopes d’hélium, et c’est l’expansion de l’hélium qui crée le refroidissement. La chaleur peut exciter les qubits, donc il faut les refroidir pour qu’ils soient tranquilles avant de leur envoyer des impulsions par les câbles. » Ces câbles, qui servent à « parler » aux qubits avec des micro-ondes (et donc à les faire changer d’état), véhiculent de la chaleur. Plus il y a de qubits, plus il faut de câbles, et plus le refroidissement est complexe !

Cette extrême sensibilité des qubits aux variations de température, mais aussi au champ magnétique, aux ondes wifi, aux vibrations – et à peu près à tout –, est un véritable casse-tête. On veut les manipuler, donc qu’ils soient réceptifs aux signaux extérieurs, mais la moindre perturbation détruit les délicates superpositions d’ondes essentielles au calcul quantique. Cet effondrement, nommé « décohérence », survient en quelques millionièmes de seconde en moyenne.

Autre conséquence de cette instabilité : les qubits font beaucoup d’erreurs, le taux pouvant atteindre 0,1 %, voire 1 %. Il faut donc mettre en œuvre des systèmes pour corriger les bogues – à l’aide d’algorithmes. « Une façon d’y parvenir est de délocaliser l’information dans plusieurs qubits, par exemple 1000. Si l’un d’eux fait une erreur, les autres peuvent compenser, car l’information est détenue de manière collective », explique Olivier Landon-Cardinal.

Décohérence, erreurs, manque de fiabilité… Les défis restent immenses. « Il faut améliorer chacune des composantes, travailler sur l’équipement et les logiciels. Il faut faire encore beaucoup de recherche fondamentale », souligne Alexandre Blais.

Photos: Québec Quantique; Martine Blache/Université de Sherbrooke

Une machine à faire quoi ?

Parmi les questions de recherche, il en reste une de taille : à quoi pourront donc servir ces fameux ordinateurs quantiques ? Chose certaine, de telles machines ne seront jamais des objets grand public, et ne remplaceront pas nos portables et nos téléphones intelligents. « Le terme ordinateur est mal choisi, car il s’agira de complètement autre chose », reprend le professeur Blais. La plupart des opérations se feront en mode hybride, en combinant supercalculateurs classiques et ordinateur quantique, prédit de son côté Samy Bjaiji.

En fait, on a recensé pour l’instant trois types de problèmes qui pourront assurément être soumis à un ordinateur quantique. Il y a d’abord la factorisation en nombres premiers de très grands nombres, utile en cryptographie. Vient ensuite la simulation de grosses molécules et de réactions dans le domaine de la chimie et des matériaux ; ces simulations requièrent des puissances de calcul faramineuses, parce que les interactions sont complexes et que les électrons impliqués dans les réactions obéissent eux-mêmes aux lois quantiques. Enfin, les problèmes d’opti­mi­sation, qui visent à trouver une solution parmi un très grand nombre de possi­bilités, pourraient eux aussi bénéficier du parallélisme quantique.

C’est pour réfléchir à ces questions (et trouver d’autres problèmes à résoudre !) que l’équipe de Calcul Québec souhaite mettre MonarQ à la disposition des universités le plus vite possible. Olivier Landon-Cardinal insiste lui aussi sur le besoin de formation. « Le facteur limitant en ce moment, ce sont les gens capables d’interagir avec un ordinateur quantique. À l’ETS, on forme des étudiants pour qu’ils deviennent des déve­loppeurs quantiques et qu’il lancent des calculs sur les machines d’IBM et d’Anyon Systèmes. On pense que ce n’est pas nécessaire d’avoir un doctorat en physique quantique, de la même façon qu’un programmeur classique n’a pas besoin de comprendre le fonctionnement d’un transistor. Mais il faut les former dès maintenant, pas attendre le jour où le quantique sera opérationnel ! »

Au cœur des laboratoires, on se garde bien de faire des conjectures. « Prédire la techno­logie du futur est une tâche très difficile. Dire par exemple que le calcul quantique va avoir un impact dans le domaine de l’énergie ou du climat, ce qu’on entend parfois, c’est une pente glissante. Ça donne l’impression que nos problèmes de société vont être réglés par les nouvelles techno­logies. Si c’est le cas, tant mieux, mais les véritables applications seront pro­bablement différentes de ce qu’on a imaginé, conclut Philippe St-Jean. C’est la beauté de la science et de la vie en général ! »