Qu’est-ce que l’informatique quantique?

Qu’est-ce que l’informatique quantique ?

Pour comprendre ce qui rend le calcul quantique si puissant, il faut commencer par le bit, l’unité de base de l’information dans les machines classiques. Un bit peut être soit un 0, soit un 1. Mais dans un ordinateur quantique [↧], nous utilisons des qubits, qui peuvent exister dans des superpositions [↧] de 0 et de 1. En d’autres termes, un qubit a une amplitude de probabilité d’être mesuré dans l’un ou l’autre état. Ce phénomène permet aux machines quantiques de traiter simultanément de nombreuses possibilités. Une explication simplifiée des qubits, mais les choses deviennent encore plus étranges. 

Les qubits peuvent aussi s’entremêler par l’intrication [↧]. Il s’agit d’une connexion quantique uniquement où la mesure d’un qubit intriqué détermine immédiatement le résultat corrélé de l’autre, quelle que soit la distance qui les sépare. Pourtant, aucune information ne circule entre les qubits. Combinées, la superposition et l’intrication permettent aux ordinateurs quantiques d’explorer des problèmes qui défient les limites de la logique classique.

Alors, où est le piège ? Les qubits sont fragiles, sujets aux erreurs et difficiles à contrôler. Mais à mesure que la technologie gagne en maturité, la promesse ne vise pas seulement une exécution plus rapide, mais une manière fondamentalement différente de faire de l’informatique.

Il s’agit là d’une explication simple de l’informatique quantique. Mais, sous la surface, les mécanismes à l’œuvre sont encore plus fascinants, et c’est ce que nous allons voir dans la suite de cet article.

L’étrange logique des qubits

Pour comprendre le fonctionnement d’un ordinateur quantique, il faut s’initier aux bases de la physique quantique, la science qui étudie le comportement des particules à l’échelle la plus petite. Un processeur quantique [↧] n’effectue pas de calculs à l’aide de transistors classiques. Il manipule plutôt des systèmes quantiques physiques, les qubits, en exploitant les principes clés de l’informatique quantique, à savoir la superposition, l’intrication et l’interférence [↧]. Il ne s’agit pas seulement d’un calcul plus rapide, mais d’un tout nouveau type de logique.

Si vous demandez à un physicien de vous « expliquer l’informatique quantique comme à un enfant de 5 ans », il utilisera peut-être cette analogie simple. Imaginez que vous jouez à pile ou face. Lorsque la pièce retombe, elle atterrit soit du côté pile soit du côté face – c’est un bit classique. Mais pendant que la pièce tourne en l’air, elle oscille dans un état de possibilité, à la fois pile et face. C’est ce que l’on appelle la superposition, et c’est ce qui confère aux qubits leur curieux pouvoir.

Prenez maintenant non plus une seule pièce, mais des dizaines, qui tournent toutes en même temps. Dans un monde classique, chaque pièce atterrirait indépendamment. Mais, dans un monde quantique, ces pièces peuvent s’intriquer. C’est comme si elles étaient mystérieusement liées : lorsqu’une pièce tombe finalement sur « face », les autres suivent instantanément dans les résultats concordants, quelle que soit la distance qui les sépare. Rien ne circule entre elles ; c’est la connexion elle-même qui n’est pas classique.

Pour exploiter ce curieux comportement, les machines quantiques appliquent des opérations appelées portes quantiques [↧], qui orientent les qubits étape par étape dans un calcul. En bout de chaîne, un ordinateur classique mesure l’état final pour extraire et interpréter le résultat. Pour résumer, un ordinateur quantique ne résout pas les problèmes étape par étape. Il s’étend sur un champ de possibilités, ce qui change non seulement la vitesse de calcul, mais aussi ce qui est calculable.

Des machines à la limite de la physique

Le calcul quantique n’est pas seulement une question de vitesse. Il s’attaque à des problèmes qui dépassent les capacités des ordinateurs classiques. Mais pour faire ce saut, les règles étranges de la mécanique quantique doivent être concrétisées dans le matériel. Tout comme les micropuces stockent et traitent les bits classiques, un processeur quantique est la plateforme où les qubits vivent, interagissent et exécutent leur danse singulière.

Le défi, c’est la fragilité. Un état quantique peut être défait par presque n’importe quoi. Une trace de chaleur, une vibration parasite, voire un rayonnement de fond peuvent déclencher la décohérence [↧], forçant les qubits à se placer dans des états fixes avant que le calcul ne soit terminé. Cela détruit la superposition et l’intrication, réduisant ainsi à néant le processus de calcul. Pour préserver la cohérence suffisamment longtemps pour qu’un calcul puisse être effectué, les machines quantiques fonctionnent à des températures plus froides que celles de l’espace, dans des chambres ultracontrôlées. Les réfrigérateurs à dilution, les matériaux surrefroidis et l’électronique de précision maintiennent la cohérence [↧] juste assez longtemps pour que le calcul puisse s’exécuter.

Sur cette fragile machinerie vient se superposer le logiciel qui la rend exploitable. Des plateformes telles que Qiskit, Cirq et PennyLane permettent aux chercheurs d’écrire des programmes sur un ordinateur classique, qui sont ensuite traduits dans la logique étrange d’un dispositif quantique par le biais de portes quantiques. Dans la pratique, ces outils servent à faire le lien entre deux mondes – le monde classique de tous les jours et le monde quantique profond – ce qui permet de tester des idées et de rapprocher les applications du monde réel de la réalité.

Pourquoi l’informatique quantique change la donne

L’informatique quantique n’est pas seulement une nouvelle étape dans l’informatique, c’est une rupture avec tout ce qui a précédé. En exploitant le comportement étrange des qubits, les machines peuvent exploiter les effets quantiques pour résoudre certains problèmes dont l’échelle est prohibitive pour les systèmes classiques.

Les premiers signaux se font déjà ressentir. Les chercheurs ont utilisé des processeurs quantiques pour effectuer des simulations préliminaires de systèmes moléculaires, concevoir des chaînes d’approvisionnement qui s’optimisent d’elles-mêmes et pousser l’apprentissage machine vers de nouveaux territoires. Il ne s’agit pas de versions plus rapides de ce que nous faisons déjà, mais de problèmes dont le coût devient prohibitif pour les machines classiques à mesure qu’ils prennent de l’ampleur.

Les avantages du calcul quantique sont remarquables :

• Des accélérations qui augmentent considérablement avec l’échelle
• Des simulations suffisamment précises pour créer de nouveaux produits chimiques et matériaux
• Des percées en matière d’optimisation qui peuvent se répercuter sur des secteurs entiers
• Des modèles d’apprentissage machine plus intelligents et plus efficaces
• Des solutions à des problèmes autrefois considérés comme insolubles

Le matériel gagnant en stabilité et les algorithmes [↧] en maturité, le stade de l’expérimentation en laboratoire pourrait doucement passer à celui de la production. Des secteurs aussi variés que la médecine, la finance, l’énergie ou les transports pourraient être profondément transformés, tandis que les limites du calculable s’étendront à des terrains entièrement inédits.

Du décryptage des codes à la guérison des maladies

Le premier aperçu des applications dans le monde réel de l’informatique remonte à 1994, lorsque le mathématicien Peter Shor a dévoilé un algorithme qui a révolutionné le domaine du jour au lendemain. L’algorithme de Shor [↧] a démontré qu’une machine quantique pouvait, en principe, factoriser de grands nombres exponentiellement plus vite que les méthodes classiques, à condition que l’ordinateur quantique soit suffisamment grand et corrigé contre les erreurs. Une avancée aux conséquences sismiques pour la cryptographie [↧].

Soudain, les enjeux sont devenus clairs. Un ordinateur quantique évolutif, une fois réalisé, pourrait décoder les mécanismes de cryptage tels que le RSA, au cœur de tous les systèmes, de la banque en ligne à la sécurité nationale. L’informatique quantique peut donc être une menace pour la sécurité, mais elle peut aussi offrir des moyens de la protéger. La distribution quantique des clés (QKD) [↧], par exemple, utilise les lois de la mécanique quantique pour créer des canaux de communication si sûrs qu’ils parviennent à identifier toute tentative d’écoute.

Mais la cryptographie n’est qu’un début. En exploitant les qubits et leurs étranges propriétés, le calcul quantique promet de transformer les industries bien au-delà des questions de sécurité.

Les premières applications quantiques portent sur les domaines suivants :

• Découverte de médicaments : simulation de molécules avec une grande précision, ce qui pourrait accélérer le développement de nouveaux médicaments à mesure que le matériel et les algorithmes s’améliorent.
• Science des matériaux : conception de supraconducteurs et d’alliages de nouvelle génération qui redéfinissent l’efficacité et la résistance.
• Finance : modélisation des marchés, gestion des risques et valorisation d’actifs complexes avec une précision inédite.
• Logistique : optimisation des itinéraires d’expédition et des flux d’entreposage dans les chaînes d’approvisionnement mondiales.
• Climat : simulation de l’atmosphère terrestre à des échelles que les modèles classiques ne peuvent atteindre, ce qui permet d’affiner les prévisions et d’élaborer des politiques.

Il s’agit là des premiers signes d’une mutation potentiellement d’une plus grande ampleur. Chaque avancée nous fait pénétrer plus avant dans un territoire inexploré, où les règles de calcul sont réécrites et où les frontières du possible ne cessent de bouger.

La course à la suprématie quantique 

L’informatique quantique évolue rapidement. En 2024, Google a dévoilé Willow, un prototype de processeur quantique qui a permis de résoudre en quelques minutes un calcul si complexe que les superordinateurs classiques auraient mis environ 10 000 ans à le simuler. Conçu comme une plateforme de recherche, Willow a démontré à quel point la logique quantique peut être radicalement différente. Avant cela, le processeur Eagle d’IBM avait déjà franchi le seuil des 100 qubits, tandis que le Sycamore de Google revendiquait une « suprématie quantique » [↧] en accomplissant une tâche bien au-delà de la portée des machines classiques.

En 2025, Microsoft a fait monter les enchères en annonçant sa puce quantique Majorana 1, fondée sur un état de la matière nouvellement observé. Ces qubits topologiques [↧], des états quantiques construits à partir de quasi-particules de Majorana, promettent une plus grande stabilité et une meilleure tolérance aux erreurs, ce qui pourrait permettre de relever les défis les plus difficiles dans ce domaine : la correction des erreurs [↧] et la résistance à la décohérence. S’ils se révèlent exploitables à grande échelle, ils pourraient accélérer les avancées dans les domaines des produits pharmaceutiques, de l’énergie propre et même de l’intelligence artificielle.

Les gouvernements misent eux aussi dans cette technologie. La Chine a engagé plus de USD 15 milliards de fonds publics dans la R&D quantique (MERICS, Déc. 2024), tandis que les géants mondiaux de la technologie rivalisent pour transformer les principes de la mécanique quantique en technologies ayant des applications dans le monde réel. La science évolue encore, mais la trajectoire est claire : l’informatique quantique pratique sort progressivement des laboratoires pour s’imposer dans le monde réel.

Des normes pour les ordinateurs « non classiques »

À mesure que la technologie quantique s’accélère, quelque chose de moins visible, mais tout aussi essentiel, prend forme : les fondements de règles, de langages et de structures partagés. En 2024, l’ISO et la Commission électrotechnique internationale (IEC) ont créé un comité technique dédié, l’ISO/IEC JTC 3, dont la mission est précisément de travailler sur ce point. Son premier livrable, l’ISO/IEC 4879, définit le vocabulaire officiel de l’informatique quantique. Travaillant en coulisses, mais avec détermination, ce comité définit les conditions dans lesquelles le domaine sera décrit, discuté et développé dans le monde entier.

En quoi est-ce important ? Sans normes communes, la croissance rapide de l’informatique quantique risque de se traduire par un éclatement en silos : des plateformes incompatibles, des définitions contradictoires et un labyrinthe de confusion technique. Ce type de fragmentation ralentit les progrès au moment même où le secteur a le plus besoin de cohérence. Les normes permettent d’éviter cet obstacle en favorisant l’alignement. Elles rendent possible l’interopérabilité, soutiennent la réglementation et donnent aux chercheurs et aux développeurs un point de départ commun – une logique partagée pour les ordinateurs les moins classiques.

• ISO/IEC 4879:2024Technologies de l'information — Informatique quantique — Vocabulaire

Des milliards en jeu, des avenirs en balance

Dans le monde actuel dominé par la technologie, l’informatique quantique n’est plus une expérience de pensée, c’est une frontière stratégique. Les plus grands acteurs mondiaux se lancent dans une course pour construire des machines suffisamment puissantes pour faire ce qu’aucun ordinateur n’a jamais fait auparavant, tout en concevant les logiciels qui les rendront utiles en dehors du laboratoire.

L’enjeu ? Des solutions à des problèmes autrefois considérés comme inaccessibles : de nouveaux médicaments adaptés à la molécule complexe, des chaînes d’approvisionnement mondiales optimisées en temps réel, des systèmes climatiques modélisés avec une précision sans précédent, des risques financiers cartographiés avant qu’ils ne se matérialisent. Des secteurs entiers sont sur le point d’être réinventés.

L’argent coule déjà à flots – des milliards d’investissements publics et privés, et des courbes de croissance qui ne font que pointer vers le haut. Les gouvernements y voient une question de sécurité et de compétitivité. Les entreprises y voient le prochain grand changement de plateforme. La science progresse, l’élan est indéniable et la course est lancée. La vraie question n’est plus de savoir si l’informatique quantique va changer notre monde, mais qui sera le premier à franchir la ligne d’arrivée.

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Glossaire

• Algorithme (quantique): algorithme destiné à servir dans un processeur quantique
  Note : Les algorithmes quantiques peuvent être conçus de manière à devoir être exécutés plusieurs fois pour obtenir le résultat souhaité, par exemple comme réducteur de bruit ou comme moyen d’exécuter un algorithme cible de manière efficace en utilisant des circuits quantiques approximatifs.
  [Définition adaptée d’ISO/IEC 4879:2024, 3.4.9]
• Algorithme de Grover: algorithme quantique conçu pour rechercher dans une base de données non triée avec une vitesse quadratique par rapport aux algorithmes classiques 
• Algorithme de Shor: algorithme basé sur la transformée de Fourier quantique pour factoriser un (grand) nombre entier
  [Source : ISO/IEC 9594-12:2025, 3.2.23. Traduction non officielle.]
• Bit, chiffre binaire: l’un des chiffres 0 et 1, lorsqu’il est employé en numération binaire
  [Source : ISO/IEC 2382:2015, 2121573]
• Bruit quantique: perturbation d’un système quantique affectant son état et entraînant des erreurs ou une perte de cohérence
• Circuit quantique: combinaison ou séquence de portes quantiques et d’autres opérations
  Note : Les circuits quantiques sont généralement conçus pour exécuter une fonction plus complexe que des portes individuelles.
  [Définition adaptée d’ISO/IEC 4879:2024, 3.4.5]
• Cohérence (quantique): existence ou étendue de relations de phase non ambiguës entre les états possibles d’un système quantique
  [Définition adaptée d’ISO/IEC 4879:2024, 3.2.18]
• Correction d’erreurs (quantiques): procédure permettant de diagnostiquer et de corriger les erreurs dans les parties constitutives d’un qubit logique sans mesurer aucune information quantique codée logiquement, en exploitant les symétries du qubit logique
  [Définition adaptée d’ISO/IEC 4879:2024, 3.4.6]
• Cryptage quantique: utilisation des phénomènes de la mécanique quantique pour assurer la sécurité des communications, généralement par le biais de la distribution quantique de clés
• Cryptographie (quantique): cryptographie utilisant la communication quantique de manière essentielle
  [Source : ISO/IEC 4879:2024, 3.6.2. Traduction non officielle.]
• Décohérence: perte ou dégradation de la cohérence quantique
  [Définition adaptée d’ISO/IEC 4879:2024, 3.2.19]
• Distribution quantique de clés (QKD): utilisation des phénomènes quantiques à des fins cryptographiques
  [Source : ISO/TS 80004-12:2016, 6.6]
• Interférence: superposition cohérente des fonctions d’onde (états quantiques) d’un système physique
  [Source : ISO/TS 80004-12:2016, 2.7]
• Intrication: propriété d’un état quantique au sein d’un système quantique composé, constitué d’au moins deux sous-systèmes, pour lequel l’état quantique ne peut être décrit du point de vue des caractéristiques indépendantes de ses constituants individuels
  [Source : ISO/IEC 4879:2024, 3.2.10. Traduction non officielle.]
• Menace pour RSA: risque pour les systèmes cryptographiques RSA découlant de la capacité des algorithmes quantiques à factoriser efficacement de grands nombres entiers
• Mesure (quantique): processus produisant en sortie une propriété physique d’un état quantique
  Note : La mesure quantique implique généralement une interaction avec un système de mesure qui code la sortie de la propriété physique.
  [Définition adaptée d’ISO/IEC 4879:2024, 3.2.16]
• Ordinateur classique: ordinateur traitant l’information au moyen de bits classiques
• Ordinateur quantique: processeur quantique entièrement programmable pouvant implémenter ou approximer toute dynamique unitaire définie dans son espace de Hilbert complet
  Notes :
  - En informatique quantique basée sur les circuits, un ordinateur quantique a accès à un ensemble universel de portes quantiques.
  - Les ordinateurs quantiques utilisent le plus souvent des informations quantiques encodées dans des qubits.
  [Définition adaptée d’ISO/IEC 4879:2024, 3.4.10]
• Ordinateur quantique à ions piégés: ordinateur quantique utilisant des atomes chargés (ions) en suspension dans l’espace et manipulés avec des lasers
• Piège à ions: architecture de processeur quantique utilisant des ions confinés par des champs électromagnétiques comme qubits, manipulés avec des lasers
• Porte de Hadamard: porte quantique plaçant un qubit dans une superposition d’états
  Note : La porte de Hadamard est souvent utilisée au début des algorithmes quantiques.
• Porte quantique: opération quantique appliquée qui transforme des états quantiques d’entrée en états quantiques de sortie
  [Définition adaptée d’ISO/IEC 4879:2024, 3.4.2]
• Processeur quantique: dispositif matériel effectuant le traitement quantique de l’information
  [Source : ISO/IEC 4879:2024, 3.4.8. Traduction non officielle.]
• Qubit: système quantique avec deux états de base
  Note : Signifiant bit quantique, le qubit est la plus petite unité d’information quantique.
  [Définition adaptée d’ISO/IEC 4879:2024, 3.3.3]
• Qubits topologiques: qubits dans lesquels l’information quantique est encodée dans les propriétés topologiques d’un système, offrant une résistance inhérente face à certains types d’erreurs
  Note : Les qubits topologiques sont souvent liés aux modes zéro de Majorana pour un calcul quantique plus tolérant aux fautes.
• Superposition: combinaison linéaire complexe de deux ou plusieurs états quantiques différents
  [Source : ISO/IEC 4879:2024, 3.2.8. Traduction non officielle.]
• Suprématie quantique: point à partir duquel un ordinateur quantique effectue un calcul qu’un ordinateur classique ne peut effectuer dans des limites de ressources pratiques