En 2019, une équipe de chercheurs de Google a déclaré avoir atteint la « suprématie quantique », réalisant en 200 secondes un calcul qui aurait pris 10 000 ans à un superordinateur classique. Les performances de ces machines dépendent d’un phénomène contre-intuitif : l’état d’un bit quantique n’est ni 0, ni 1, mais une combinaison des deux.
Ce fonctionnement défie les règles de l’informatique traditionnelle. L’exploitation de phénomènes comme la superposition et l’intrication ouvre la voie à des calculs jusque-là impossibles, mais soulève aussi de nombreux défis techniques.
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Ordinateur classique et quantique : quelles différences fondamentales ?
Deux univers se font face. D’un côté, l’ordinateur classique s’appuie sur les bits, ces petites unités d’information qui n’acceptent que deux états : 0 ou 1. Le calcul binaire, la logique séquentielle, tout découle de cette simplicité. De l’autre, le monde quantique s’ouvre avec le qubit, véritable électron libre de l’informatique quantique. Un qubit n’obéit pas à l’alternative, mais choisit la coexistence : il adopte simultanément 0 et 1, dans une superposition d’états qui redéfinit l’idée même de calcul.
Pour saisir concrètement ce qui distingue ces deux familles de machines, voici un panorama des usages et comportements respectifs :
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- Ordinateur classique : additionne, compare, stocke l’information selon des algorithmes linéaires, chaque bit suit le mouvement, tout se déroule de façon prévisible.
- Ordinateur quantique : exploite superposition et intrication, mène les calculs en parallèle, livre des résultats soumis à la probabilité, et déploie une puissance exponentielle pour certaines catégories de problèmes.
Mais l’écart dépasse la simple structure des circuits. Le calculateur quantique ne cherche pas à détrôner les ordinateurs classiques pour la bureautique ou la navigation web. Pour éditer un texte, gérer des données ou explorer Internet, rien de plus performant que le classique. Le fonctionnement d’un ordinateur quantique, lui, trouve sa raison d’être dans des calculs complexes, impossibles à reproduire efficacement avec une architecture traditionnelle. La compréhension de l’informatique quantique suppose donc de reconnaître cette complémentarité sans équivoque.
Enfin, la manière de penser l’information diverge radicalement. Le bit reste prisonnier de la logique binaire, quand le qubit se meut dans l’incertitude, la probabilité, l’interdépendance. Ici, s’ouvrent de nouveaux algorithmes, mais également de nouveaux obstacles technologiques. Pour cerner ce qu’est un ordinateur quantique, il faut accepter cette rupture intellectuelle entre bit et qubit.
Le qubit, un concept clé pour comprendre le calcul quantique
Le qubit ne se contente pas de troubler la logique habituelle : il la bouscule. Là où le bit classique s’enferme dans une alternative stricte, le qubit existe dans une pluralité d’états grâce à la superposition quantique. Un seul qubit détient à la fois les valeurs 0 et 1, pondérées par des probabilités. Cette propriété, issue de la physique quantique, permet un parallélisme massif : avec n qubits, l’ordinateur quantique peut traiter simultanément 2^n états différents.
Autre phénomène singulier : l’intrication quantique. Deux qubits intriqués ne forment plus deux entités indépendantes ; ils partagent un état, même séparés par des kilomètres. Cette corrélation à distance bouleverse les codes du traitement de l’information. Grâce à cette interdépendance, les systèmes quantiques s’attaquent à des problèmes hors de portée des machines classiques.
Mais tant que l’on n’observe pas un qubit, il flotte dans l’indétermination. Dès qu’une mesure intervient, la superposition s’effondre : le qubit bascule vers 0 ou 1, selon une distribution probabiliste dictée par son état initial. Avant la mesure, l’information reste floue, mais c’est justement cette incertitude qui rend les algorithmes quantiques si redoutables. Cette mécanique au cœur du calcul quantique explique la capacité inédite de l’ordinateur quantique à résoudre certains types de calculs.
Pour appréhender le fonctionnement d’un ordinateur quantique, il faut donc maîtriser deux piliers : superposition et intrication. Ces concepts fondent tout l’édifice de l’informatique quantique et dessinent un horizon bien différent des limites de la logique binaire.
Comment fonctionne réellement un ordinateur quantique ?
Le fonctionnement d’un ordinateur quantique s’articule autour de la manipulation des qubits via des portes quantiques. Chacune de ces opérations modifie l’état quantique des qubits, conformément aux lois de la mécanique quantique. Là où les circuits classiques enchaînent des portes logiques sur des bits, les circuits quantiques exploitent pleinement superposition et intrication, décuplant la capacité de calcul en parallèle.
Pour produire et contrôler des qubits, plusieurs technologies sont en compétition. Voici les principales approches expérimentées aujourd’hui :
- Supraconducteurs
- Ions piégés
- Photons
- Atomes neutres
- Atomes de Rydberg
Chacune de ces méthodes présente ses atouts, mais toutes butent sur un obstacle redoutable : la fragilité extrême des états quantiques. La décohérence, cette tendance à perdre l’état quantique en une fraction de seconde, complique tout. Pour la contrer, la correction d’erreurs quantiques devient incontournable. Concevoir un qubit logique fiable suppose d’assembler des dizaines de qubits physiques, ce qui constitue un défi colossal pour les ingénieurs et chercheurs.
Certains algorithmes quantiques sont déjà devenus emblématiques. Par exemple, l’algorithme de Shor promet de pulvériser la cryptographie basée sur la factorisation, tandis que l’algorithme de Grover accélère la recherche dans des bases de données. Ces machines ne se limitent pas à la sécurité informatique : elles visent des secteurs variés, comme :
- Simulation moléculaire
- Découverte de nouveaux matériaux
- Optimisation
- Apprentissage automatique
- Intelligence artificielle
Cette architecture complexe impose une rigueur d’ingénierie et une gestion ultra-précise des interactions environnementales. Les calculateurs quantiques ne remplaceront pas l’informatique traditionnelle, mais ouvrent la porte à des applications jusqu’ici inaccessibles.
Défis actuels et perspectives d’avenir pour l’informatique quantique
L’ordinateur quantique fait l’objet d’une compétition mondiale effrénée. Grands groupes industriels et laboratoires publics se lancent dans la course : Google, IBM, Atos, D-Wave, IonQ, PsiQuantum ou Pasqal misent sur des technologies différentes, entre qubits supraconducteurs, ions piégés et atomes neutres. Malgré les annonces, les prototypes actuels restent fragiles, bien loin des rêves de Feynman dans les années 1980.
Les obstacles techniques sont légion. La décohérence sabote rapidement les calculs, la correction d’erreurs quantiques mobilise des dizaines de qubits physiques pour n’en stabiliser qu’un seul. Les meilleurs processeurs franchissent à peine la barre de la centaine de qubits utilisables, alors que les ambitions industrielles réclament des milliers de qubits stables pour des applications concrètes.
Face à cette complexité, la stratégie de souveraineté scientifique s’impose. La France avance avec le Plan Quantique et le CEA, la Chine et l’Europe investissent massivement dans la technologie quantique, pendant que les États-Unis, soutenus par la NSA, misent sur ces avancées pour renforcer sécurité et cryptographie.
L’arrivée d’un ordinateur quantique universel reste une inconnue, mais le secteur s’organise et se prépare. Des entreprises comme Atos développent des émulateurs afin d’anticiper les besoins en algorithmes. La recherche s’appuie sur des physiciens comme Nicolas Sangouard, Landry Bretheau ou Loïc Henriet, qui forment déjà la relève. Le paysage évolue, foisonne, se confronte à l’incertitude, mais ne cesse d’avancer.
Rien n’est figé : la révolution quantique s’écrit chaque jour, entre promesses, paris techniques et découvertes inattendues. Qui sait, la prochaine avancée pourrait bien surgir là où on ne l’attend pas.
