Le quantique ouvre une brèche entre le monde et la représentation que nous avons du monde

La physique quantique, tout le monde en parle, mais sait-on vraiment de quoi il s’agit ? Peut-être pas. On a tenté d'y voir plus clair avec le physicien et philosophe des sciences Étienne Klein, et Philippe Duluc, CTO Big Data & Sécurité chez Atos.

« La théorie et la pratique c’est exactement la même chose, sauf qu’en pratique, ce n’est pas vrai » (Yogi Berra). Nous entendons tous parler de la physique quantique, sans être pourtant capables de la définir. Qu’est-ce ? Quel est son lien avec l'ordinateur quantique ? Quel est son impact sur le réel ? Quels sont les avancées de l’ordinateur quantique ? Ses freins et ses espoirs ? Devons-nous en avoir peur ?

Nous avons rencontré Étienne Klein, physicien et philosophe des sciences, directeur de recherche au CEA et Philippe Duluc, CTO Big Data & Sécurité chez Atos, et nous avons abordé avec eux l’histoire de la physique quantique, les mythes et les réalités de son ordinateur éponyme et, déjà, l’ère du post-quantique.

Fait nouveau dans l’histoire de l’humanité, si nous possédons des technologies, chacun d’entre nous est condamné à une forme d’illectronisme, aux processus d’acculturation limités par notre compréhension des systèmes. Ce qui se vérifie évidemment avec le sujet du quantique. Alors, comptons sur nos deux experts pour nous sortir de l'ignorance.

Spoiler : parfois, c'est abrupt, mais le physicien américain Richard Feynman a un jour prononcé ces bons mots : « Si vous croyez comprendre la mécanique quantique, c'est que vous ne la comprenez pas. »

La physique quantique, ce n’est pas si facile à comprendre. Est-ce grave ?

E. Klein : Vous savez, nos téléphones contiennent le savoir de 17 prix Nobel de physique et leur puissance de calcul est plus grande que celle qui fut employée par la mission Apollo 11. Le design du smartphone le rend manipulable aussi bien par un enfant de 5 ans que par un ingénieur.

Rendez-vous compte, l’objet le plus compliqué en vente sur Terre est un instrument qui ne possède pas de notice. On pensait que l’intrusion des objets techniques allait accroître les compétences scientifiques des individus dans la société. C’est en fait tout le contraire : notre usage de la technologie n’est absolument pas dépendant de nos compétences, et le fait de l’utiliser n’augmente pas nos compétences. La technologie crée dans le rapport que nous avons avec elle une dimension « magique ». Nous ne nous posons même pas la question de savoir comment ça marche.

La physique quantique se comprend facilement quand on rentre dedans. J’aimerais qu’elle soit un objet de connaissance avant d’être un objet de culture.

Alors, dites-nous, que décrit la physique quantique ? Et que change-t-elle ?

E. Klein : C’est moins une révolution dans la façon de décrire les objets physiques, qu’une révolution dans la règle de composition des objets, de l’atome – c’est-à-dire de composition, d’interaction, de décomposition, etc. qui paraît simple mais n’est pas si simple.

« La physique, dit Bachelard, c'est l’art de penser contre son cerveau. » C'est-à-dire, l’art de convaincre son cerveau que ce qu’il pense spontanément, ce à quoi il est habitué, est faux. Ça l’oblige à faire un pas de côté.

Dans la physique classique, une mesure sert simplement à enregistrer une propriété qui est déjà là, sans la perturber. Cette valeur serait la même si elle n'avait pas été mesurée. Ce n’est pas la mesure qui crée ce qui est mesuré.

Quelles sont les questions posées par la théorie quantique ?

E. Klein : D'un point de vue philosophique, la physique quantique ouvre une brèche entre le monde et la représentation que nous avons du monde.
Le premier problème est celui de l’interprétation. Le réel est-il intelligible ? Les propriétés obtenues nous donnent-elles une idée de ce qu’il est réellement ?
Puis vient le problème de la mesure, avec les principes de superposition, intrication, contextualité et non-séparabilité. Le réel est-il mesurable ?
Enfin, il y a le problème du langage. Si la réalité est insuffisante à décrire des phénomènes, existent-ils vraiment ?

Une fois posé cela, à quoi sert l’ordinateur quantique ?

E. Klein : L’ordinateur quantique est surtout dédié à la puissance et à la rapidité du calcul, pour certains types de problèmes difficiles. Il se base sur des objets physiques subatomiques (les composants de matière de taille inférieure à un atome, ndlr) qui pourraient encoder des informations binaires.

Le calcul devient alors une évolution de toutes les superpositions possibles d’un problème en même temps – que l’on nomme le « parallélisme des états ». Pour récupérer l’information, il faut « distiller » l’état quantique jusqu’à obtenir la ou les solutions au problème posé. À la fin, on fait une mesure qui transforme les superpositions (les qubits) en bits classiques.

L'ordinateur quantique n’existe pas encore, nous avons seulement des prototypes. Les deux idées-forces de la physique quantique ne sont pas encore réalisées techniquement : la 1^ère idée est la superposition des états, et la 2^e idée est l’intrication des deux états. Nous sommes au tout début de l’information quantique.

P. Duluc : Nous travaillons aujourd'hui sur des qubits physiques, non corrigés, qui subissent des phénomènes de décohérence, de bruit, de valeur - et non pas des qubits parfaits (logiques). Les qubits forment des structures instables, affaiblies par ces phénomènes. La grande difficulté est d’arriver à superposer et intriquer, stabiliser ces qubits pour obtenir l’équivalent d’un processeur de calcul. Il faudrait un ordinateur avec quelques milliers de bits quantiques parfaits pour s’attaquer à des problèmes complexes, comme le décryptement du RSA (un algorithme de cryptographie, ndlr), par exemple.

Qu'est-ce qui différencie un ordinateur quantique d’un ordinateur classique ?

E. Klein : Le bit classique a 2 registres, 0 et 1. Le qubit est n’importe quelle superposition d’un 0 et d’un 1. Dans un qubit, on peut mettre beaucoup plus d’info que dans un bit.

P. Duluc : Le gain de temps de calcul est considérable, ce qui nous permet de continuer d’accrocher la courbe de Moore, cette course de la miniaturisation (loi selon laquelle le nombre de transistors sur une même surface, donc la puissance, doublerait tous les dix-huit mois, qui arrive aujourd'hui à des limites physiques, ndlr).

Vous dites que nous en sommes encore au stade du prototypage. Quels sont les freins de l’ordinateur quantique ?

P. Duluc : Trois principaux verrous technologiques demeurent aujourd’hui. D'abord, le passage à l’échelle : passer de 10 qubits à 100 qubits, puis à 1000 qubits, c'est très complexe. Ensuite, la stabilité : la faiblesse par rapport au bruit qui limite la durée d’intrication des circuits quantiques, ce qu’on appelle la décohérence. Enfin, l’ingénierie : disposer de portes quantiques qui fonctionnent rapidement et correctement.

Sur quels algorithmes se basent l'ordinateur quantique ?

P. Duluc : Il existe quelques centaines d’algorithmes concernés par le quantique. L’exemple de l’algorithme de Grover, un annuaire inversé, est un bel exemple d’accélération par rapport au classique.

L’algorithme quantique de Shor (1994) pourrait mettre en danger toute la sécurité internet en décryptant le chiffrement RSA. Mais il faudrait pour cela intriquer plusieurs milliers de qubits logiques/parfaits. Toute une logique à revoir.

L’ordinateur quantique ne présente-t-il que des avantages ?

P. Duluc : Il présente aussi des risques, évidemment ! En cybersécurité, nous ne sommes pas à l'abri de l’arrivée d’un calculateur aux qubits parfaits. Et si quelqu’un inventait une nouvelle technologie de qubits parfaits et stables ?

Fin 2017, le National Institute of Standard and Technology (NIST) des Etats-Unis a lancé un appel pour des standards d’algorithmes classiques capables de résister aux attaques quantiques. Atos a répondu à l’appel, engagé dans 4 équipes candidates à insérer ces nouveaux standards dans ses propres équipements de cybersécurité dès leur publication.

Débuté en janvier 2018, le processus d’évaluation publique de ces standards post-quantiques va prendre quelques années et mobiliser la communauté internationale des cryptologues. C’est ce même processus qui a amené en 2000 la standardisation de l’algorithme cryptographique symétrique AES (Advanced Encryption Standard) inventé par deux cryptologues belges.

Et dans le quantique, où en est Atos ?

P. Duluc : Nous commercialisons une plateforme de programmation pour écrire, optimiser et tester (par l’émulation classique de qubits) des algorithmes quantiques, la Quantum Learning Machine (QLM) déjà vendue aux Etats-Unis et en Europe. Elle atteint 41 qubits.

Atos prévoit 4 à 5 ans pour commercialiser un accélérateur quantique qui sera couplé à des processeurs classiques sur une plateforme hybride, ou pourra être couplé à la QLM. Ce système permettra d’accélérer certaines grandes applications spécifiques sans pour autant se destiner à un usage polyvalent.

Quels cas d’usages potentiels futurs peut-on imaginer pour le quantique ?

P. Duluc : Les technologies quantiques accéléreront certains calculs avec un intérêt opérationnel pour de multiples applications : optimisation de réseau électrique, résolution de problèmes d’algèbre linéaire, simulation de molécules… La chimie quantique intéresse l’industrie pharmaceutique et chimique.

Enfin, l’hybridation classique-quantique pose la question de la transférabilité des algorithmes et des applications sur l’une des architectures à l’autre. Les systèmes hybrides permettent d’ores et déjà de proposer des applications de modélisation de qubits parfaits sur des bits d’ordinateur classique, par validation croisée sur de petites simulations... Ou encore le passage du calcul à échelle microscopique quantique à l’échelle macroscopique grâce au calcul déterministe.

Le site de vulgarisation scientifique d'Etienne Klein ici