L’état actuel de l’informatique quantique

L’informatique quantique est différente

Quantum computing is the idea of using quantum physics to perform calculations, which differs from normal semiconductor-based computing methods. Instead of generating 0 and 1 (no current or current), it uses “quantum bits,” called qubits, where particle data is either 0 AND 1 at once, or 1, or 0.

En raison de la différence fondamentale dans la façon de calculer, l’informatique quantique n’est pas tant une alternative à l’informatique « normale » qu’un complément.

L’informatique standard fonctionne de manière linéaire et a du mal avec des calculs très complexes, comme la modélisation climatique, la cryptographie ou la configuration 3D de molécules complexes comme les protéines. Et c’est précisément le type de calcul dans lequel on s’attend à ce que l’informatique quantique excelle.

Ainsi, bien que nos ordinateurs portables et smartphones ne deviendront probablement jamais des ordinateurs quantiques, ils pourraient révolutionner la recherche scientifique.

L’informatique quantique est difficile

Ainsi, avec la promesse que les superordinateurs quantiques seront mille fois plus performants que les actuels, il n’est pas surprenant que de nombreuses recherches aient été menées pour les rendre réels.

Mais le problème est que créer ne serait-ce qu’un seul qubit est techniquement très difficile. La première difficulté est que l’informatique quantique ne fonctionne qu’à des températures ultra-basses, autour de cent degrés au-dessus du zéro absolu. Ce n’est que dans ces conditions que certains matériaux uniques deviennent des supraconducteurs (matériaux sans résistance électrique). Cela consomme de l’énergie, coûte cher et est difficile à atteindre.

Ensuite, maîtriser le contrôle, la manipulation et la « lecture » des données d’un qubit est également complexe, impliquant généralement des lasers ultra-précis, des microscopes atomiques et des capteurs. Enfin, toute interférence rendra le qubit inutilisable, il faut donc également obtenir un vide parfait.

Alors que les puces à semi-conducteurs manipulent la matière à des échelles ne mesurant que quelques atomes, l’informatique quantique cherche à gérer la matière à l’échelle des particules. Notamment, un ordinateur quantique pratique nécessitera des milliers de qubits pour rester stables et interagir entre eux.

L’informatique quantique progresse

Franchir le seuil des 1 000 qubits

Une équipe dirigée par le professeur Gerhard Birkl du groupe de recherche « Atoms – Photons – Quanta » du département de physique de TU Darmstadt en Allemagne a créé le plus grand ordinateur quantique à ce jour.

Ils ont créé un ordinateur quantique avec 1 000 qubits atomiques contrôlables individuellement, remportant une course dans le domaine contre de nombreuses autres équipes scientifiques.

Source: Optica

Le seuil des 1 000 est partiellement symbolique mais correspond également au nombre attendu pour une application significative des ordinateurs quantiques. En dessous, ils restent surtout une curiosité scientifique et une idée prometteuse, mais pas plus.

La technique utilise des « pinces optiques », qui sont des lasers spéciaux capables de manipuler les atomes individuellement. Grâce aux progrès en micro-optique, c’est la technique la plus prometteuse en informatique quantique pour une méthode évolutive permettant de construire des systèmes beaucoup plus grands.

Source: Optica

“Comme le nombre de microlentilles par centimètre carré atteint facilement 100 000 et que des plaquettes MLA d’une surface de plusieurs centaines de centimètres carrés peuvent être produites, elles offrent un potentiel énorme en termes d’évolutivité, limité uniquement par la puissance laser disponible”

Source: Optica

En perfectionnant l’utilisation de ces pinces optiques, le Prof. Birkl a démontré que des ordinateurs quantiques de grande taille, avec des milliers de qubits, peuvent être conçus. Cela fournira à son tour l’outil essentiel dont d’autres chercheurs ont besoin pour réaliser des calculs quantiques.

Simulateurs quantiques pour résoudre la physique

De nombreux problèmes auxquels les physiciens sont confrontés aujourd’hui sont liés au comportement des particules à l’échelle quantique, ou du moins dès que plus de 30 particules sont simulées. C’est un problème car les systèmes informatiques ordinaires peinent avec le comportement probabiliste des particules et de la physique quantique en général.

Pour résoudre ce problème, la situation idéale serait de développer un « simulateur quantique » où les qubits peuvent simuler le comportement des particules quantiques. En effet, les qubits utilisent eux-mêmes les propriétés quantiques d’intrication et de superposition, qui sont les aspects si difficiles à simuler sur un ordinateur normal.

Bien que les simulateurs quantiques soient essentiellement un type spécial d’ordinateur quantique, le problème jusqu’à présent a été de les rendre capables de simuler de nombreuses particules différentes au lieu de devoir concevoir sur mesure un simulateur quantique pour chaque question physique spécifique.

Natalia Chepiga et son groupe de recherche, professeure assistante à la Technische Universiteit Delft aux Pays-Bas, pourraient avoir trouvé une solution.

Elle propose un protocole qui crée un simulateur quantique entièrement contrôlable dans un article publié dans Physical Review Letters. Cela fonctionne en utilisant deux lasers de fréquences ou de couleurs différentes, ajoutant une dimension supplémentaire au calcul. Théoriquement, cette méthode pourrait être étendue pour ajouter plus de 2 dimensions au calcul du simulateur quantique.

Source: TU Delft

Ce type de simulateur quantique pourrait constituer un important coup de pouce pour de nombreuses recherches à la pointe de nos connaissances actuelles, incluant la physique ultra-froide (y compris les supraconducteurs), les semi-conducteurs, les sciences des matériaux, les télécommunications et les technologies énergétiques (en particulier les batteries).

QuDits au lieu de qubits

La plupart des conceptions d’informatique quantique sont centrées sur les qubits, et sur leur facilité de manipulation/programmation ainsi que sur l’ajout de nouveaux qubits. Une alternative consiste à utiliser des chiffres quantiques, ou « qudits ».

“Un ordinateur quantique avec x qubits peut effectuer 2^x calculs. Cependant, une machine avec x qudits, D représentant le nombre d’états par qudit, peut effectuer D^x calculs.

Cela signifie que vous pouvez encoder la même information dans moins de particules quantiques en utilisant des qudits,

Martin Ringbauer, un physicien quantique à l’Université d’Innsbruck en Autriche dans IEEE Spectrum

En termes plus simples, plus le nombre D de dimensions d’un système d’informatique quantique augmente, plus il devient exponentiellement puissant. En plus de ce calcul plus efficace utilisant des qudits au lieu de qubits, ils devraient être plus fiables et moins susceptibles de provoquer des erreurs de calcul que les qubits.

Ainsi, c’est une grande nouvelle que une équipe de chercheurs dirigée par Andrea Morello à la USNW en Australie a créé un système de calcul qudit à 16 dimensions, hautement contrôlable. Avec D=16, toute quantité de qudits ajoutée au système augmente la capacité de calcul d’une puissance de 16.

Pour y parvenir, ils ont utilisé un atome donneur 123Sb (antimoine), qui a été implanté ioniquement dans un dispositif nanoélectronique en silicium.

“L’espace de Hilbert combiné de l’atome s’étend sur 16 dimensions, et peut être accédé en utilisant à la fois des champs de contrôle électriques et magnétiques. Andrea Morello”

Ce système a obtenu des résultats remarquables ; notamment, « le spin nucléaire montre déjà des fidélités de porte dépassant 99 % quel que soit le mécanisme d’excitation ». L’atome d’antimoine représente également une amélioration par rapport au 31P (phosphore) précédemment utilisé, car l’antimoine est un atome plus lourd et plus facile à manipuler.

Cette réalisation technique et scientifique s’améliore également, notamment en utilisant du 28Si (silicium) isotopiquement purifié, en éliminant la concentration résiduelle de 29Si, et en améliorant la fiabilité du système (temps de cohérence et fidélités de porte).

État du développement de l’informatique quantique

Le domaine est encore très embryonnaire, avec de tout nouveaux concepts qui émergent, comme les qudits utilisables ou les simulateurs quantiques programmables.

Combiné aux progrès dans la création de systèmes de plus de 1 000 qubits, cela montre que l’informatique quantique sera probablement un domaine scientifique très important dans les décennies à venir, avec un potentiel immense encore inexploité.

Actuellement, la recherche en science des matériaux ou en biochimie est stimulée par l’IA, sujet que nous avons abordé dans notre article « Industries disruptives se rassemblant autour d’une technologie centrale – Intelligence artificielle (IA) ».

Mais bientôt, dans les 5 à 10 prochaines années, nous pourrions commencer à voir des résultats pratiques des calculs quantiques. Le matériel passe maintenant des expériences de pensée et des démonstrateurs de laboratoire à des prototypes d’ordinateurs de recherche commerciaux.

L’étape suivante sera le développement de logiciels capables de maximiser le potentiel de l’informatique quantique — et le lancement de la production à grande échelle d’ordinateurs quantiques afin de réduire les coûts et d’apporter une certaine standardisation.

Ainsi, à bien des égards, l’informatique quantique se trouve à l’étape où les premiers mainframes informatiques commerciaux apparaissaient dans les années 1950 et 1960 avant de devenir un outil courant pour les entreprises et la recherche dans les décennies suivantes.

Applications de l’informatique quantique

Bien qu’il soit difficile de prévoir avec précision, nous connaissons déjà quelques secteurs qui bénéficieront grandement de la généralisation de l’informatique quantique :

• Modélisation biochimique : de la détermination de la forme 3D d’une protéine à l’expression génétique, le calcul de molécules biologiques complexes jusqu’aux atomes pourrait révolutionner la recherche biotechnologique.
• Modélisation climatique : les modèles climatiques sont extraordinairement complexes et repoussent les limites de ce que les superordinateurs actuels peuvent faire. Une meilleure compréhension du climat, avec une échelle de calcul plus fine dans le modèle, tant géographiquement que temporellement, pourrait aider à comprendre les risques du changement climatique.
• Semi-conducteurs : les ordinateurs quantiques pourraient être utilisés pour rendre les puces informatiques normales beaucoup plus puissantes. Avec les puces « normales » atteignant maintenant l’échelle nanométrique, les phénomènes quantiques deviennent de plus en plus problématiques, et les ordinateurs quantiques pourraient être nécessaires pour les résoudre.
• Science des matériaux : mieux comprendre la physique quantique et la réaction des matériaux jusqu’aux atomes individuels peut ouvrir de nouvelles conceptions de matériaux utilisés dans l’aérospatiale, les batteries, l’impression 3D, la fabrication, etc.
• Cryptographie : les ordinateurs quantiques pourraient potentiellement rendre toutes les méthodes de cryptographie actuelles obsolètes. C’est une préoccupation sérieuse pour les systèmes militaires, financiers et informatiques. Mais en même temps, cela pourrait rendre la cryptographie encore plus sécurisée.

Actions liées à l’informatique quantique

1. International Business Machines Corporation

(IBM )

International Business Machines Corporation (IBM) a été la force motrice derrière la commercialisation du premier ordinateur mainframe. Cependant, elle a été dépassée par d’autres géants technologiques comme Apple, TSMC et NVIDIA.

Elle est toutefois à la pointe du développement des ordinateurs quantiques. Par exemple, elle a développé son ordinateur quantique de 127 qubits « Eagle », suivi d’un système de 433 qubits connu sous le nom « Osprey ».

Et cela est maintenant suivi de « Condor », un processeur quantique à 1 121 qubits supraconducteurs basé sur la technologie de porte à résonance croisée, ainsi que « Heron », un processeur quantique à la pointe du domaine.

Enfin, IBM a publié Qiskit 1.0 en février 2024, le SDK d’informatique quantique le plus populaire, avec des améliorations dans la construction de circuits, les temps de compilation et la consommation de mémoire par rapport aux versions précédentes.

En regardant vers l’avenir, IBM a déjà annoncé son prochain objectif majeur en prévision que ses puces quantiques actuelles « dépassent » l’infrastructure actuellement utilisée. Cet objectif est connu sous le nom de « IBM Quantum System Two » ; un système modulaire qui pourrait prendre en charge jusqu’à 16 632 qubits.

La force d’IBM a toujours été, depuis sa création, le développement de superordinateurs ultra-puissants, un segment du marché éclipsé par l’essor de l’électronique grand public et des puces standardisées. L’émergence de l’informatique quantique est une occasion pour IBM de briller à nouveau et de devenir un leader dans ce segment important à venir de l’informatique pour la recherche scientifique et les besoins informatiques des grandes entreprises.

2. Microsoft Corporation

Déjà leader des services cloud « normaux », Microsoft est un pionnier dans l’offre de services cloud d’informatique quantique avec Azure Quantum. Il est tout à fait possible que la plupart de l’informatique quantique à l’avenir soit réalisée par des chercheurs « à distance », en s’appuyant sur des services cloud comme ceux de Microsoft, plutôt que d’accéder directement à leur propre ordinateur quantique.

C’est particulièrement probable car, en fin de compte, la plupart des applications de l’informatique quantique seront recherchées par des biochimistes, des experts en science des matériaux, des climatologues et d’autres spécialistes n’ayant pas de formation spécifique en informatique quantique. Il est donc plus logique de compter sur des professionnels dédiés travaillant chez IBM, Microsoft ou Google pour gérer la partie calcul plutôt que d’embaucher ou de former des personnes étrangères au domaine.

Le service peut également offrir « calcul hybride », combinant l’informatique quantique avec le service de superordinateur cloud traditionnel.

Source: Microsoft

Au lieu d’une intégration verticale, l’approche de Microsoft en matière d’informatique quantique a consisté à établir des partenariats avec les leaders du domaine couvrant pratiquement toutes les technologies possibles pour atteindre l’informatique quantique, comme IonQ (IONQ), Pasqal, Quantinuum, QCI (QUBT), et Rigetti (RGTI).

Source: Microsoft

L’informatique quantique n’est pas au cœur du métier de Microsoft, du moins pour l’instant. Elle reste néanmoins un acteur central du secteur et pourrait constituer un choix d’action « plus sûr » par rapport à l’acquisition directe d’actions de ses partenaires en informatique quantique cotés en bourse, comme QCI ou Rigetti.

3. Alphabet Inc.

Google est très actif dans l’informatique quantique, principalement via son laboratoire Google Quantum AI et le campus Quantum AI à Santa Barbara.

L’ordinateur quantique de Google a marqué l’histoire en 2019 lorsque Google a affirmé avoir atteint la « suprématie quantique » avec sa machine Sycamore, effectuant un calcul en 200 secondes qui aurait pris 10 000 ans à un superordinateur conventionnel.

Mais peut-être que la plus grande contribution de Google sera dans le logiciel, une activité où elle possède un bien meilleur historique que le matériel (recherche, G Suite, Android, etc.). Déjà, le Quantum AI de Google propose une suite de logiciels conçus pour aider les scientifiques à développer des algorithmes quantiques.

Google pourrait très probablement être l’une des entreprises qui définiront les normes du logiciel et de la programmation en informatique quantique, occupant ainsi une place privilégiée pour orienter l’évolution future du domaine.

4. Quantinuum / Honeywell

Quantinuum est le résultat de la fusion de Honeywell Quantum Solutions et de Cambridge Quantum (et, comme mentionné, un partenaire du cloud quantique de Microsoft).

Quantinuum semble, pour l’instant, se concentrer sur des segments moins explorés par d’autres systèmes d’informatique quantique, notamment les analyses financières et liées à la chaîne d’approvisionnement, grâce à son moteur Quantum Monte Carlo Integration (QMCI), lancé en septembre 2023.

QMCI s’applique à des problèmes qui n’ont pas de solution analytique, comme la tarification de dérivés financiers ou la simulation des résultats d’expériences de physique des particules à haute énergie, et promet des avancées computationnelles dans les secteurs des affaires, de l’énergie, de la logistique de la chaîne d’approvisionnement et d’autres.

Comme pour Microsoft, l’informatique quantique n’est pas la partie centrale du métier de Honeywell, qui se concentre davantage sur les produits aérospatiaux, l’automatisation et les produits chimiques et matériaux spécialisés.

Cependant, étant donné que chacun de ces segments d’activité pourrait bénéficier de l’informatique quantique, il n’est pas difficile de voir le cas d’affaires pour Honeywell de s’impliquer.

Ainsi, cela fait de Honeywell à la fois un fournisseur de services d’informatique quantique et l’une des entreprises qui pourraient bénéficier de l’application des ordinateurs quantiques à des cas d’affaires réels, ce que l’intégration de Quantinuum dans le groupe devrait aider à favoriser plus rapidement que ses concurrents industriels.

5. Intel

Intel est un grand producteur de puces et semble vouloir exploiter cette force dans le domaine de l’informatique quantique.

Il a récemment publié « Tunnel Falls », le « puce de qubit spin silicium la plus avancée ». Ce qui est remarquable, c’est qu’il ne s’agit pas d’un prototype mais d’une puce fabriquée à grande échelle, avec un taux de rendement de 95 % sur la plaquette et une uniformité de tension. Cela ouvre la voie à la production de masse de puces d’informatique quantique, ce qui est pour l’instant difficile à obtenir dans une industrie naissante et en évolution rapide.

Source: Intel

Fidèle à ses racines, Intel développe également le logiciel pour exploiter ses puces, avec la sortie de l’Intel Quantum SDK. Cela fournit des directives aux programmeurs pour développer des logiciels d’informatique quantique compatibles avec la conception des puces quantiques d’Intel, qui a historiquement constitué un avantage concurrentiel très fort et rentable pour le secteur des puces classiques d’Intel.

Source: Intel

L’arrivée de la fabrication de puces quantiques évolutives pourrait être aussi révolutionnaire pour l’industrie que toute autre percée scientifique technique, en réduisant les coûts et en établissant des normes de programmation communes ainsi que des architectures de puces.

Intel est une entreprise qui sait, d’expérience, à quel point cela peut être une force puissante dans l’industrie informatique, continuant à profiter de ses innovations et brevets associés depuis les années 1960.

6. Defiance Quantum ETF

Le secteur de l’informatique quantique est encore très jeune. Il a jusqu’à présent été principalement dominé par de grandes entreprises technologiques disposant de ressources suffisantes pour financer des milliards de dollars dans ce type de recherche fondamentale.

Cependant, de nombreuses autres petites entreprises sont également actives dans le domaine, certaines s’associant aux géants susmentionnés pour déployer leur technologie.

Il peut être assez difficile pour les investisseurs non spécialistes de comprendre la complexité des différentes technologies d’informatique quantique, sans parler de deviner lesquelles seront commercialement réussies.

Ainsi, bien que l’investissement direct dans de petites startups d’informatique quantique soit une option, une autre consiste à recourir à un ETF pour s’exposer au secteur tout en diversifiant à moindre coût.

Le Defiance Quantum ETF contient 69 actions différentes liées à l’informatique quantique dans son portefeuille, incluant des développeurs d’ordinateurs et de puces quantiques, ainsi que des fournisseurs de systèmes de refroidissement, de lasers, de logiciels et d’autres technologies utilisées dans les ordinateurs quantiques ou la production de puces quantiques.

Source: Defiance ETF

Dans ce domaine en évolution rapide, la plupart des investisseurs, même ceux familiers avec l’industrie des semi-conducteurs, bénéficieront probablement d’un certain degré de diversification. Cela peut donc être réalisé soit en misant sur les grands géants technologiques qui font les bons choix de partenariat, soit avec un large éventail d’actions, ce qui est souvent plus efficacement atteint via un ETF dédié.