Comment fonctionnent les ordinateurs quantiques

Les bases de l’ordinateur quantique

Tous les ordinateurs, aussi perfectionnés soient-ils, commencent par le même élément de base : le bit [↧]. Il est presque incroyable que tout ce que fait votre ordinateur portable, de la lecture de films en streaming au traitement de feuilles de calcul, puisse être décomposé en chaînes de 0 et de 1. Et ces chiffres ne sont pas une abstraction. Dans le matériel, ils sont stockés à l’état physique, sous forme de charges minuscules sur des condensateurs, de points magnétiques sur un disque ou de motifs gravés dans le silicium. 

Les ordinateurs quantiques partent du même principe de base : l’information doit être stockée dans des systèmes physiques. Mais en l’occurrence, le comportement de ces systèmes est régi par les lois de la mécanique quantique plutôt que par celles de la physique classique. L’unité de base est le bit quantique, ou qubit. Comme un bit classique, un qubit produit un 0 ou un 1 lorsqu’il est mesuré. Mais contrairement à son cousin classique, il peut occuper un ensemble d’états beaucoup plus riche, représenté mathématiquement comme un vecteur dans un espace bidimensionnel combinant les états de base |0⟩ et |1⟩. 

Vous remarquerez que nous avons introduit ici une notation mathématique. Dans l’informatique quantique, les équations ne sont pas seulement un moyen de décrire ce qui se passe, elles sont la chose même qu’elles expriment. L’algèbre linéaire nous renseigne sur la manière exacte dont les qubits se comportent, évoluent et interagissent. Sans cela, nous n’aurions aucun moyen d’expliquer ce qui rend l’informatique quantique si différente des machines numériques que nous connaissons.

Superposition : au-delà de 0 et de 1

De prime abord, les qubits ne semblent pas différents des bits classiques : ils ont deux états de base, |0⟩ et |1⟩ qui jouent le même rôle que le 0 et le 1 dans l’informatique ordinaire. Mais la différence fondamentale réside dans le fait que les qubits ne sont pas limités à ces états. Ils peuvent également exister dans des superpositions [↧], ou combinaisons de |0⟩ et de |1⟩. Un qubit peut en effet être en partie dans un |0⟩ et en partie dans un |1⟩, que l’on peut par exemple décrire mathématiquement 0,6 |0⟩ + 0,8 |1⟩. Les nombres placés devant, ici 0,6 et 0,8, sont appelés amplitudes. Ils représentent les « poids » de chaque état et, une fois élevés au carré, ils donnent les probabilités de mesurer le qubit en 0 ou 1.

Dans la pratique, les états de base |0⟩ et |1⟩ correspondent souvent à des configurations physiques très concrètes, comme différents niveaux de charge ou un photon se trouvant à l’un des deux endroits. Il est facile de se les figurer, tout comme les manières de stocker physiquement les bits classiques : une marque magnétique sur un disque ou un trou dans une carte perforée.

Les superpositions, en revanche, sont plus difficiles à imaginer. Elles ne sont pas simplement « dans les deux états à la fois », même si l’on fait souvent le raccourci pour les décrire. Un qubit peut en effet exister dans un ensemble continu d’états. Cette capacité à transporter et à traiter des combinaisons est l’une des principales raisons pour lesquelles les capacités des ordinateurs quantiques sont supérieures aux machines classiques.

Les circuits quantiques en action

Les capacités d’une seule porte quantique [↧] sont remarquables, mais le véritable calcul n’apparaît que lorsqu’elles sont combinées. Reliées entre elles, ces portes forment des circuits quantiques [↧], chacune d’entre elles poussant des qubits le long d’un chemin menant à une réponse fiable. Sur le papier, cela peut sembler simple. Mais dans la pratique, c’est l’une des choses les plus difficiles à réaliser. Les états quantiques sont extrêmement fragiles, et la moindre perturbation (une infime variation de température, un photon égaré) peut suffire à les détruire. Ces perturbations aléatoires sont dénommées bruit quantique [↧].

Pour préserver leur état, les qubits doivent être aussi isolés que possible. Certaines particules interagissent si faiblement avec leur environnement qu’il est pratiquement impossible de les perturber. Les neutrinos, par exemple, particules fantômes qui n’interagissent pratiquement pas avec la matière, peuvent traverser d’épais murs de plomb sans être touchés. Or, cette particularité les rend inutiles en tant que qubits : si l’on ne peut pas interagir de manière fiable avec eux, il est impossible de préparer, de manipuler ou de mesurer leurs états.

D’où le principal dilemme autour du matériel quantique : les qubits doivent être suffisamment isolés pour préserver leur état, mais suffisamment accessibles pour être maîtrisés. En fin de compte, la construction d’un ordinateur quantique fonctionnel consiste à trouver cet équilibre.

Portes quantiques : comment programmer les qubits

Une fois que l’on dispose de qubits, on peut se demander : Comment en faire quelque chose ? La superposition est puissante, mais à elle seule, elle n’est qu’un potentiel. Pour calculer réellement, il faut pouvoir faire basculer, retourner ou mélanger les qubits dans de nouveaux états. C’est à cela que servent les portes logiques quantiques.

On peut les voir comme les mouvements dans le jeu de l’informatique quantique. En effet, une porte quantique est une opération précise qui transforme un qubit, ou parfois plusieurs qubits à la fois. Elles sont les éléments constitutifs de chaque algorithme quantique [↧], tout comme les portes classiques telles que AND, OR et NOT sont au cœur de tout ce que fait votre ordinateur portable.

Certaines portes sont simples. La version quantique de NOT, par exemple, transforme |0⟩ en |1⟩ et inversement. Mais les qubits peuvent également exister dans des combinaisons de ces états. Si un qubit est dans une superposition, disons α |0⟩ + β |1⟩, la porte NOT échange les amplitudes : elle devient α |1⟩ + β |0⟩. En d’autres termes, les poids attachés à |0⟩ et |1⟩ changent simplement de place.

D’autres portes sont plus surprenantes. La porte de Hadamard [↧], par exemple, ne se contente pas d’inverser un qubit, elle mélange ses états en une superposition. Grâce à elle, vous pouvez passer du monde ordinaire des bits, où l’on parle de « l’un ou l’autre », au monde bien plus étrange des qubits, où l’on parle de « l’un et l’autre à la fois ». C’est un puissant outil, car il ouvre de nouvelles voies de calcul. Là où une porte NOT classique revient à marcher et reculer le long d’une route, la porte de Hadamard est plutôt comme un bateau qui coupe au plus court à travers un plan d’eau. Alors, de nouvelles routes apparaissent, et avec elles, de nouvelles façons de résoudre les problèmes que les machines classiques ne peuvent égaler. 

Faire parler les qubits

Concevoir des circuits est une chose, mais cela n’a de sens que si l’on peut en tirer un résultat. C’est là qu’intervient la mesure [↧]. Imaginez que quelqu’un vous remette un qubit dans un état inconnu. Est-il possible d’en déterminer la composition simplement en y « jetant coup d’œil » ? Étonnamment, non. Ce n’est pas que le qubit soit « mystérieux », c’est que la mécanique quantique ne nous permet pas d’accéder directement à l’état complet. Lorsque l’on mesure, on n’obtient jamais qu’un seul résultat clair.

Pour obtenir ce résultat, le qubit doit être mis en contact avec le monde classique. En pratique, cela signifie qu’il faut le faire interagir avec un détecteur, une installation laser ou un circuit électronique. La configuration exacte varie en fonction de la technologie : les lasers révèlent l’état des ions piégés [↧], les circuits à micro-ondes captent les signaux des qubits supraconducteurs et les détecteurs de photons enregistrent le chemin emprunté par un photon.

Quelle que soit la plateforme, l’effet reste le même : l’état quantique est converti en un signal classique que l’on peut enregistrer.

Comment fonctionnent les ordinateurs quantiques

Nous avons abordé les éléments de base de l’informatique quantique : qubits, portes quantiques, circuits et mesures. Mais la véritable magie s’opère lorsqu’ils sont réunis et que l’on observe comment les groupes de qubits interagissent. C’est là que les principes de fonctionnement des ordinateurs quantiques se concrétisent.

• Intrication [↧] : Reliez deux qubits et ils ne se comportent plus comme des objets isolés. Leurs états s’entremêlent, de sorte que la mesure de l’un détermine instantanément le résultat corrélé de l’autre, même s’ils sont très éloignés l’un de l’autre. Ce lien étrange n’est pas seulement une curiosité physique ; c’est une puissante ressource qui permet aux ordinateurs quantiques de résoudre certains problèmes beaucoup plus efficacement que les machines classiques.
• Interférence [↧] : Au fur et à mesure que les qubits évoluent dans un circuit quantique, leurs ondes de probabilité cachées se chevauchent, s’annulent ou se renforcent mutuellement. Des algorithmes bien conçus exploitent cet effet pour supprimer les réponses erronées tout en amplifiant les correctes. L’algorithme de Grover [↧] en est un parfait exemple : il utilise l’interférence pour effectuer des recherches dans d’énormes ensembles de données de manière beaucoup plus efficace que les ordinateurs classiques.
• Décohérence [↧] : Les qubits ont un point faible : ils sont fragiles. La chaleur, les particules parasites ou même la plus infime vibration peuvent faire s’effondrer leur état précaire, un problème connu sous le nom de décohérence. Les méthodes de correction d’erreurs [↧] sont utiles, mais l’un des plus grands défis de l’informatique quantique consiste à maintenir les qubits stables suffisamment longtemps pour exécuter des algorithmes significatifs.

Le cycle se présente ainsi : préparer des qubits dans un état choisi (généralement |0⟩) ; appliquer des portes quantiques qui les manipulent et les intriquent ; concevoir le circuit de manière à ce que les interférences amplifient les réponses correctes tout en supprimant les erronées  ; et enfin, mesurer les qubits pour convertir le résultat en information classique. Il ne s’agit pas seulement d’une méthode informatique plus rapide, c’est une façon fondamentalement nouvelle de figurer ce que les ordinateurs peuvent faire.

Les différentes voies vers l’informatique quantique

Le plus difficile n’est pas la théorie, c’est de l’appliquer dans des machines physiques. Dans le monde entier, des chercheurs testent différents types d’ordinateurs quantiques, chacun basé sur un système physique distinct ayant ses propres forces et limites.

• Ordinateur quantique à qubits supraconducteurs : Utilisé par IBM et Google, cette plateforme est aujourd’hui la mieux établie. Les circuits supraconducteurs refroidis à un degré proche du zéro absolu changent d’état incroyablement vite, mais il reste difficile de passer à grande échelle : plus on ajoute de qubits, plus il est difficile de les maintenir stables. Grâce à des logiciels matures tels que Qiskit et Cirq, les développeurs peuvent créer, tester et affiner des programmes quantiques plus facilement, offrant à ces systèmes un avantage initial évident.
• Ordinateur quantique à ions piégés [↧] : Des entreprises comme IonQ utilisent des lasers pour piéger et manipuler des atomes. Ces qubits ont des temps de cohérence [↧] exceptionnellement longs, ce qui les rend très stables. En contrepartie, les opérations sur les portes sont plus lentes et il est plus difficile de les adapter à des systèmes de grande taille.
• Ordinateur quantique photonique : La lumière elle-même peut transporter des informations quantiques, comme dans les modèles de PsiQuantum et Xanadu. Les photons (particules de lumière) résistent naturellement au bruit, mais les amener à interagir suffisamment fortement pour permettre le calcul reste un défi de taille.
• Ordinateur quantique à atomes neutres : À l’aide de pinces optiques, les atomes peuvent être disposés en grilles contenant potentiellement des milliers de qubits. Il s’agit d’un modèle très évolutif, même s’il est encore jeune par rapport à d’autres plateformes.
• Ordinateur quantique à points quantiques : Ce modèle utilise des semi-conducteurs à l’échelle nanométrique pour piéger et manipuler des électrons uniques. Fabriqués à partir des mêmes matériaux que les puces classiques, ils s’intègrent naturellement dans la technologie des semi-conducteurs existante. La difficulté réside toutefois dans le fait de maintenir la cohérence de ces délicats états quantiques à des échelles aussi minuscules.
• Ordinateur quantique topologique : Cette approche, défendue par Microsoft, vise à exploiter les anyons, des quasi-particules exotiques considérées comme la base des qubits topologiques [↧]. En théorie, ces qubits pourraient être bien plus résistants au bruit quantique que d’autres conceptions, mais pour l’instant, le concept reste à prouver.

Chacune de ces approches repose sur des compromis – vitesse contre stabilité, évolutivité contre contrôle – et aucune ne s’est imposée comme la voie définitive à suivre. Prises ensemble, cependant, elles illustrent certains des exemples d’ordinateurs quantiques les plus remarquables, montrant comment divers systèmes physiques peuvent être conçus pour exploiter les principes sous-jacents de la mécanique quantique.

Les normes au service de l’ère quantique

L’informatique quantique n’est plus une vision lointaine, elle est déjà là sous ses premières formes. Grâce aux plateformes en nuage, les chercheurs et les entreprises peuvent mener des expériences sur des machines réelles, généralement dotées de quelques dizaines de qubits seulement. Aussi modestes soient-ils, ces prototypes prouvent que les règles étranges de la mécanique quantique peuvent se traduire en calcul fonctionnel.

Le défi qui se pose aujourd’hui porte sur la cohérence, non seulement celle des qubits, mais aussi celle du domaine lui-même. Face à la multiplicité des modèles, le risque est celui de la fragmentation : des plateformes concurrentes, chacune parlant sa propre langue. Pour y remédier, l’informatique quantique occupe désormais comité technique qui lui est consacré : l’ISO/IEC JTC 3. Créé en 2024, il réunit des experts mondiaux afin de définir des règles communes pour la description, la construction et la connexion des systèmes quantiques.

Les normes ne sont nullement un frein aux avancées de l’informatique quantique, elles leur donnent un cap. Elles soutiennent l’échafaudage invisible de l’interopérabilité et de la confiance, transformant des percées particulières en un écosystème partagé. Grâce aux normes, le domaine peut aller au-delà des expériences éblouissantes pour devenir une industrie capable de transformer la finance, les soins de santé, la logistique et bien d’autres domaines.

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

Horizons quantiques

Grâce aux normes, les expériences menées aux quatre coins du monde aujourd’hui peuvent former un écosystème connecté. Cette base est fondamentale, car l’informatique quantique n’est pas seulement une question de machines plus rapides, il s’agit surtout de réimaginer ce qui est possible. En transformant les règles de la physique en outils de calcul, nous sommes à l’aube de découvertes que la technologie classique n’a jamais pu atteindre.

La route sera longue, pleine de bruits, d’erreurs et d’obstacles techniques. Mais l’histoire nous enseigne que tous les grands progrès de l’informatique – des tubes à vide aux puces électroniques et à l’informatique en nuage – ont commencé par des prototypes fragiles et une imagination audacieuse. Et l’informatique quantique ne déroge pas à la règle.

L’époque est extraordinaire, car nous vivons les premiers pas de ce progrès. Les percées de demain reposeront sur les questions que nous posons aujourd’hui. L’informatique quantique n’est pas un futur lointain, c’est une révolution qui est déjà en marche.

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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