La division informatique quantique de Google a annoncé que son processeur Willow avait atteint une étape de calcul que les superordinateurs classiques auraient besoin d'environ 10 000 ans pour reproduire, accomplissant la tâche en moins de quatre minutes. Le résultat, publié dansNature, représente une avancée significative par rapport à la démonstration de suprématie quantique de Google en 2019 et, plus important encore, démontre une propriété que les chercheurs recherchent depuis deux décennies : une correction d'erreurs qui s'améliore à mesure que le système évolue.

L’annonce a eu le poids d’une véritable signification scientifique. Contrairement au résultat de 2019 – qui a été immédiatement contesté par IBM, qui affirmait que ses superordinateurs classiques pouvaient résoudre le même problème en quelques jours – le résultat de Willow a été examiné de manière indépendante et la marge de suprématie est d'un ordre de grandeur plus grande. La réponse de la communauté scientifique a cette fois été nettement moins sceptique.

Ce qui a été réellement résolu

Le problème spécifique – une variante de l’échantillonnage de circuits aléatoires – n’est pas directement utile en soi. Cela implique un échantillonnage à partir de la distribution de sortie d’un circuit quantique aléatoire, une tâche difficile en termes de calcul pour les ordinateurs classiques mais naturelle pour les ordinateurs quantiques. Le problème a été choisi précisément parce qu’il est bien compris théoriquement, ce qui permet de vérifier le résultat quantique et de calculer le temps qu’il faudrait à un ordinateur classique pour le reproduire.

Le chiffre de 10 000 ans fait référence à l’algorithme classique le plus connu fonctionnant sur le supercalculateur le plus puissant du monde. Il ne s’agit pas d’affirmer qu’aucun algorithme classique ne pourra jamais résoudre le problème plus rapidement : les affirmations sur la suprématie quantique sont toujours relatives aux méthodes classiques les plus connues, et les algorithmes classiques s’améliorent avec le temps. Mais la marge est suffisamment grande pour que sa réduction classique nécessiterait une percée d’une ampleur comparable à celle du progrès quantique lui-même.

Plus important encore, Willow démontre une propriété clé qui a échappé aux ordinateurs quantiques : la correction des erreurs qui s'améliore à mesure que le système évolue. Les processeurs quantiques précédents devenaient moins fiables à mesure que davantage de qubits étaient ajoutés – les erreurs s’accumulaient plus rapidement qu’elles ne pouvaient être corrigées. Willow montre la tendance inverse. À mesure que Google ajoutait davantage de qubits au code de correction d’erreurs, le taux d’erreur logique diminuait de façon exponentielle. C’est le comportement que prédit la théorie de la correction d’erreurs quantiques, mais qu’aucun système physique n’avait jusqu’à présent démontré de manière convaincante.

Pourquoi la correction des erreurs est la véritable avancée

Pour comprendre pourquoi c’est important, il est utile de comprendre le défi fondamental de l’informatique quantique. Les bits quantiques (qubits) sont extraordinairement sensibles aux perturbations environnementales : la chaleur, les interférences électromagnétiques et même les rayons cosmiques peuvent provoquer des erreurs. Les ordinateurs classiques traitent les erreurs grâce à des codes de redondance et de correction d'erreurs, mais appliquer la même approche aux ordinateurs quantiques est beaucoup plus difficile car les états quantiques ne peuvent pas être copiés (le théorème de non-clonage) et la mesure d'un état quantique le détruit.

La correction d'erreurs quantiques fonctionne en codant un seul qubit logique sur plusieurs qubits physiques, de manière à permettre la détection et la correction des erreurs sans mesurer directement l'état logique. La théorie est comprise depuis les années 1990, mais sa mise en œuvre nécessite des qubits physiques avec des taux d’erreur inférieurs à un seuil – et maintenir ce seuil à mesure que le système évolue s’avère extrêmement difficile.

La démonstration de Willow selon laquelle les taux d'erreur diminuent à mesure que le système évolue est la première preuve convaincante qu'un système quantique physique peut fonctionner en dessous du seuil de correction d'erreur à grande échelle. Cela ne signifie pas que l’informatique quantique tolérante aux pannes est imminente – les taux d’erreur sont encore trop élevés pour la plupart des applications pratiques – mais cela démontre que la voie vers la tolérance aux pannes est ouverte. La question n’est plus de savoir si une correction d’erreur quantique évolutive est physiquement possible, mais combien de temps il faudra pour atteindre les taux d’erreur requis pour un calcul utile.

Implications pour la cryptographie

La communauté de la cryptographie suit de près les progrès de l'informatique quantique, car des ordinateurs quantiques suffisamment puissants pourraient briser le cryptage RSA et à courbe elliptique, qui sont les fondements de la plupart des sécurités Internet. Le résultat de Willow a relancé cette conversation, même si la menace immédiate est moins aiguë que ne le suggèrent certains titres.

"Nous n'en sommes pas encore là", déclare le Dr Michele Mosca de l'Institut d'informatique quantique. "Mais le résultat d'aujourd'hui est un signal clair que le calendrier de l'informatique quantique cryptographiquement pertinente doit être pris au sérieux. Les organisations qui n'ont pas encore commencé à migrer vers la cryptographie post-quantique devraient commencer dès maintenant."

Briser RSA-2048 – la norme de chiffrement la plus courante – nécessiterait un ordinateur quantique tolérant aux pannes et doté de millions de qubits logiques. Willow possède 105 qubits physiques. L'écart est énorme. Mais la démonstration d’une correction d’erreur évolutive signifie que l’écart est désormais une question d’ingénierie plutôt que de physique fondamentale. Les normes de cryptographie post-quantique du NIST, finalisées en 2024, fournissent la voie de migration que les organisations doivent suivre – et le résultat Willow est un argument convaincant en faveur de l’urgence.

Les systèmes les plus vulnérables sont ceux dont les données ont une longue durée de vie. Les données cryptées interceptées aujourd’hui pourraient être stockées et déchiffrées plus tard, une fois que les ordinateurs quantiques seront suffisamment puissants. Les agences de renseignement et les États-nations antagonistes font presque certainement exactement cela – une stratégie connue sous le nom de « récolter maintenant, décrypter plus tard ». Pour les données qui doivent rester confidentielles pendant 10 ans ou plus, la migration vers la cryptographie post-quantique n’est pas facultative.

Découverte de médicaments et simulation moléculaire

L’application la plus prometteuse est la simulation moléculaire. Les ordinateurs quantiques sont naturellement adaptés à la modélisation des systèmes de mécanique quantique, y compris le comportement des molécules. Une simulation moléculaire précise pourrait considérablement accélérer la découverte de médicaments en permettant aux chercheurs de tester informatiquement les médicaments candidats potentiels avant de synthétiser une seule molécule.

Les ordinateurs classiques actuels peuvent simuler avec précision des molécules comprenant jusqu’à environ 50 atomes. Au-delà de cela, la complexité informatique croît de façon exponentielle et des approximations deviennent nécessaires. La plupart des molécules biologiques les plus importantes – protéines, enzymes, cibles médicamenteuses – dépassent de loin cette limite. Un ordinateur quantique tolérant aux pannes pourrait simuler exactement ces molécules, identifiant potentiellement des médicaments candidats que les méthodes classiques manqueraient complètement.

Le délai pour cette application est plus long que la menace cryptographique. La simulation moléculaire nécessite des ordinateurs quantiques tolérants aux pannes et dotés de milliers de qubits logiques – ce qui nous attend encore dans des années. Mais des sociétés pharmaceutiques comme Roche, Pfizer et Merck investissent déjà dans la recherche sur l’informatique quantique, se positionnant pour exploiter la technologie lorsqu’elle arrivera à maturité.

Science des matériaux et applications climatiques

Au-delà de la découverte de médicaments, la simulation quantique pourrait transformer la science des matériaux. Concevoir de meilleurs catalyseurs pour les procédés chimiques industriels – y compris le procédé Haber-Bosch qui produit des engrais, qui représente environ 2 % de la consommation mondiale d'énergie – pourrait avoir un impact économique et environnemental énorme. Concevoir de meilleurs matériaux pour les cellules solaires, de meilleures compositions chimiques pour les batteries et de meilleurs supraconducteurs sont autant de problèmes que la simulation quantique pourrait accélérer.

Les implications climatiques sont potentiellement importantes. Bon nombre des technologies d’énergie propre les plus importantes – cellules solaires de nouvelle génération, supraconducteurs à température ambiante, meilleurs électrolyseurs pour la production d’hydrogène vert – sont limitées par notre incapacité à concevoir des matériaux dotés précisément des bonnes propriétés mécaniques quantiques. Les ordinateurs quantiques pourraient supprimer cette limitation.

Le paysage concurrentiel

Google n'est pas seul dans la course à la construction d'ordinateurs quantiques utiles. IBM a sa propre feuille de route, visant 100 000 qubits physiques d'ici 2033. Microsoft poursuit une approche fondamentalement différente en utilisant des qubits topologiques, théoriquement plus résistants aux erreurs. IonQ et Quantinuum construisent des ordinateurs quantiques à ions piégés, qui ont des taux d'erreur inférieurs à ceux des qubits supraconducteurs, mais sont plus difficiles à mettre à l'échelle. Le programme chinois d'informatique quantique, centré sur l'Université des sciences et technologies de Chine, a démontré ses propres résultats de suprématie.

La diversité des approches reflète une véritable incertitude quant à la plate-forme physique qui s'avérera finalement la plus pratique pour l'informatique quantique tolérante aux pannes. Chaque approche comporte des compromis différents entre la qualité des qubits, l'évolutivité et les conditions de fonctionnement. Le peloton est encore suffisamment tôt pour que la plateforme gagnante ne soit pas évidente.

Ce qui vient ensuite

La feuille de route de Google prévoit un ordinateur quantique tolérant aux pannes, capable d'exécuter des algorithmes pratiques avec des taux d'erreur suffisamment faibles pour des applications réelles, d'ici la fin de la décennie. La tenue de ce calendrier dépendra des progrès continus en matière de correction d’erreurs, de qualité des qubits et des systèmes de contrôle classiques qui gèrent les processeurs quantiques.

Le résultat Willow est une véritable étape importante, pas une annonce marketing. Cela démontre que la physique fondamentale de la correction d’erreurs quantiques évolutive fonctionne comme le prédit la théorie. Les défis techniques qui restent à relever sont formidables, mais ce sont des défis techniques, du genre de ceux qui se traduisent par des investissements et des efforts soutenus. L’ère de l’informatique quantique pratiquement utile est plus proche qu’elle ne l’était la semaine dernière.

Sources et lectures complémentaires