Ordinateur quantique et crypto : La blockchain est-elle menacée ?

L’ordinateur quantique représente une véritable révolution dans le domaine de l’informatique, exploitant les principes de la mécanique quantique pour résoudre des problèmes complexes qui dépassent les capacités des ordinateurs classiques. À l’avenir, ces machines promettent de réaliser des calculs à des vitesses inimaginables. Alors que la technologie est encore en phase de développement, ce guide complet vise à vous faire découvrir les tenants et les aboutissants de cette course vers le « Graal quantique ».

 

 

Ordinateur quantique : Fonctionnement

Le concept repose sur les principes fondamentaux de la mécanique quantique, une branche de la physique qui étudie le comportement des particules à une échelle subatomique. Contrairement aux ordinateurs classiques qui utilisent des bits pour traiter l’information sous forme binaire (0 ou 1), les ordinateurs quantiques utilisent des qubits, qui peuvent exister dans plusieurs états simultanément grâce à deux propriétés clés : la superposition et l’intrication.

Le Qubit : L’unité de base pour les calculs

Contrairement aux bits classiques qui peuvent être soit 0 soit 1, les ordinateurs quantiques utilisent des qubits. Un qubit peut exister dans un état de superposition, ce qui signifie qu’il peut représenter simultanément 0 et 1. De plus, il peut être manipulé à l’aide de portes quantiques, analogues aux portes logiques dans les ordinateurs classiques. Celles-ci permettent de réaliser des opérations sur les qubits, exploitant les principes de superposition et d’intrication pour effectuer des calculs en parallèle.

La superposition

La superposition est un principe fondamental de la mécanique quantique. En bref, il s’agit de dire qu’un système (particule, atome ou paire de particules) peut exister simultanément sous plusieurs états. Dans le cas présent, un qubit peut exister dans un état de 0, de 1, ou dans une combinaison des deux états en même temps.

Grâce à ce principe, un ordinateur quantique peut explorer un grand nombre de solutions possibles à un problème en même temps. Par exemple, alors qu’un ordinateur classique doit tester chaque solution de manière séquentielle, un ordinateur quantique peut évaluer toutes les solutions simultanément, ce qui le rend potentiellement beaucoup plus rapide pour certaines tâches.

L’intrication

L’intrication est un autre phénomène quantique qui se produit lorsque deux qubits deviennent corrélés de telle manière que l’état de l’un dépend de l’état de l’autre, peu importe la distance qui les sépare.

Cela signifie que la mesure de l’un des qubits affecte instantanément l’état de l’autre qubit. Cette propriété permet aux ordinateurs quantiques de traiter des informations de manière beaucoup plus efficace, car elle crée des liens entre les qubits qui peuvent être exploités pour des calculs.

Comment fonctionnent les opérations quantiques ?

Les ordinateurs quantiques effectuent des calculs en appliquant des portes quantiques sur les qubits. Ces portes sont des opérations qui modifient l’état des qubits, semblables aux portes logiques dans les ordinateurs classiques.

Un environnement contrôlé indispensable

 

Pour fonctionner correctement, les qubits doivent être totalement isolés de l’extérieur, dans le vide et à des températures proches du zéro absolu (0 K). Par conséquent, cela nécessite des systèmes de refroidissement sophistiqués et des environnements contrôlés pour minimiser les perturbations externes. Les contraintes de construction sont donc énormes. Actuellement, la taille des ordinateurs quantiques est équivalente à une armoire, comme c’était le cas pour les ordinateurs classiques à leurs débuts.

 

Quelles sont les difficultés que rencontrent les chercheurs pour développer des ordinateurs quantiques ?

 

Malgré leur potentiel, les ordinateurs quantiques restent des appareils expérimentaux, avec de nombreux défis techniques qui restent à relever. L’un des principaux obstacles est la décohérence, qui se produit lorsque les qubits perdent leur état quantique en raison d’interactions avec leur environnement. En effet, le moindre élément perturbateur dans le système, comme un atome d’air ou une particule de poussière, vient bouleverser l’ensemble et faire perdre aux qubits leurs propriétés de superposition et d’intrication. Cela entraîne des erreurs dans les calculs et complique la construction d’ordinateurs quantiques fiables. Les chercheurs travaillent activement à développer des techniques pour surmonter ces difficultés, notamment en améliorant la fidélité des qubits et en développant des méthodes de correction d’erreurs. L’une de ces techniques consiste à utiliser plusieurs qubits pour créer un qubit logique qui est moins sensible aux erreurs.

 

Quel est l’intérêt majeur de l’informatique quantique ?

L’informatique quantique représente une avancée technologique majeure qui pourrait transformer de nombreux domaines. En effet, l’un des intérêts majeurs est sa capacité à résoudre des problèmes qui dépassent les capacités des ordinateurs classiques. Grâce à la superposition et à l’intrication, les ordinateurs quantiques peuvent traiter un grand nombre de possibilités simultanément. Cela leur permet de s’attaquer à des problèmes qui nécessiteraient des milliers d’années de calcul sur des ordinateurs classiques, en les réduisant à quelques minutes ou heures.

 

Quelles sont les applications pratiques de l’informatique quantique ?

 

L’informatique quantique, bien qu’encore en phase de développement, promet de transformer de nombreux secteurs. Les applications possibles sont nombreuses :

• La cryptographie : L’algorithme de Shor, développé par Peter Shor, démontre comment un ordinateur quantique peut factoriser des nombres entiers de manière exponentiellement plus rapide que les algorithmes classiques. Cela signifie que les systèmes de cryptographie actuels, comme RSA, pourraient être compromis par des ordinateurs quantiques suffisamment puissants. Cela a des implications majeures pour la cybersécurité, nécessitant le développement de nouveaux systèmes de cryptographie résistants aux attaques quantiques.
• L’optimisation : Les problèmes d’optimisation sont courants dans de nombreux secteurs, y compris la logistique, la finance et la recherche opérationnelle. Leur résolution demande énormément de ressources et l’informatique quantique représenterait une solution pour explorer simultanément de nombreuses solutions possibles et obtenir des résultats intéressants dans des délais raisonnables.
• La modélisation : Les ordinateurs quantiques peuvent aider à modéliser de nouvelles molécules en médecine, réaliser des prévisions climatiques ou découvrir des matériaux innovants pour l’industrie. Mettre en place des scénarios, modéliser des interactions et réaliser un grand nombre de simulations permet de gagner du temps avant la phase de développement proprement dite.
• Le machine learning : Les algorithmes quantiques peuvent traiter des ensembles de données massifs et complexes plus efficacement. Cela pourrait conduire à des avancées significatives dans des domaines tels que la reconnaissance d’images, le traitement du langage naturel et la prise de décision automatisée.
• Les communications : Les principes de l’intrication quantique peuvent être utilisés pour développer des systèmes de communication ultra-sécurisés, de manière à transmettre des informations avec un risque d’interception pratiquement inexistant.

 

Quelles sont les performances des ordinateurs quantiques ?

Les performances des ordinateurs quantiques sont souvent mesurées par leur capacité à résoudre des problèmes complexes plus rapidement et efficacement que les ordinateurs classiques. Ces performances sont influencées par plusieurs facteurs, notamment la conception des qubits, la correction d’erreurs, et la mise à l’échelle des systèmes quantiques.

La capacité de traitement

Les ordinateurs quantiques exploitent les principes de la mécanique quantique, tels que la superposition et l’intrication, pour traiter des informations de manière fondamentalement différente des ordinateurs classiques. Alors qu’un ordinateur classique utilise des bits pour représenter des données sous forme de 0 et de 1, un ordinateur quantique utilise des qubits, qui peuvent exister dans plusieurs états simultanément. Cela permet aux ordinateurs quantiques d’explorer un espace de solutions beaucoup plus vaste en parallèle, ce qui leur confère un potentiel de traitement exponentiellement supérieur pour certains types de problèmes.

Les avantages en termes de vitesse de calcul

Les ordinateurs quantiques ont le potentiel de résoudre des problèmes qui prendraient des milliers d’années à des ordinateurs classiques en quelques minutes. Par exemple, Google a annoncé avoir développé un processeur quantique capable d’effectuer une opération en trois minutes, alors qu’un superordinateur classique aurait mis 10 000 ans pour réaliser la même tâche.

Le volume quantique

Le concept de volume quantique a été introduit en 2019 par IBM. Il mesure la capacité d’un système quantique à exécuter des circuits quantiques complexes. Il est déterminé par la taille du circuit que l’ordinateur peut exécuter avec succès, ainsi que par la fréquence à laquelle il produit des résultats corrects.

La correction d’erreurs

Un des défis majeurs des ordinateurs quantiques est la correction d’erreurs. En effet, les qubits sont sensibles aux perturbations environnementales, ce qui peut entraîner des erreurs dans les calculs. Ainsi, la décohérence, qui est le processus par lequel les qubits perdent leur état quantique, est un obstacle majeur. Pour surmonter ce problème, des techniques de correction d’erreurs quantiques sont nécessaires, qui impliquent l’encodage des informations quantiques dans plusieurs qubits pour garantir l’intégrité des calculs.

La taille des systèmes

Actuellement, les processeurs quantiques disponibles ne peuvent gérer qu’un nombre limité de qubits. Cependant, des recherches sont en cours pour développer des systèmes capables de supporter des centaines, voire des milliers de qubits.

 

Ordinateur quantique vs ordinateur classique : Comparatif complet

 

L’informatique quantique représente une avancée technologique majeure par rapport à l’informatique classique. Pour mieux comprendre les différences fondamentales entre ces deux types d’ordinateurs, voici un comparatif.

Critère	Ordinateur classique	Ordinateur quantique
Traitement de l’information	Utilise des bits (0 ou 1) Traite les données de manière séquentielle Approprié pour la plupart tâches courantes Limité pour des calculs complexes et l’analyse massive de données	Utilise des qubits, qui peuvent être dans un état de superposition (0 et 1 en même temps) Traitement parallèle non linéaire des données Idéal pour traiter des problèmes à plusieurs solutions
Architecture	Processeurs, mémoire et stockage Composants connus et technologie maitrisée	Architecture en développement Utilise des qubits réalisés avec diverses technologies (supraconducteurs, ions piégés, photons) Construction et maintenance complexes
Performances	Limitées par la vitesse et la capacité de traitement Efficace pour les tâches séquentielles Insuffisant pour les problèmes complexes nécessitant une approche non séquentielle	Limitées pour le moment aux contraintes de la physique quantique Capable d’effectuer des calculs complexes à grande vitesse
Applications	Utilisé au quotidien : bureautique, conception assistée par ordinateur, analyse de données, développement de logiciels, gestion des bases de données, etc.	Promet de transformer des domaines tels que la chimie, la finance, la cryptographie ou l’IA Pourrait être réservé à la recherche et au développement de haut niveau
Limites	Limités par la loi de Moore : miniaturisation des composants confrontée à des limites physiques	Sensibilité des qubits aux perturbations environnementales Limite sur le nombre de qubits que les puces quantiques sont capables de traiter Correction des erreurs de calcul encore en phase de recherche

 

Qui possède un ordinateur quantique ?

L’essor de l’informatique quantique a suscité un intérêt considérable de la part des acteurs de la tech et des gouvernements.

Les grandes entreprises technologiques

 

• IBM : L’un des pionniers dans le développement de l’informatique quantique, IBM a lancé le système IBM Quantum System Two. L’entreprise investit massivement dans la recherche et le développement et propose également des services de cloud quantique.

 

• Google : Google a fait des avancées significatives avec son processeur quantique, Sycamore, qui a réalisé une tâche en quelques minutes, une opération que les ordinateurs classiques auraient mis des milliers d’années à accomplir. Par ailleurs, Google continue d’explorer les applications pratiques de l’informatique quantique et de réduire le taux d’erreurs.
• Microsoft : Avec son initiative Azure Quantum, Microsoft s’engage à fournir des outils et des services pour le développement d’applications quantiques, en collaborant avec des chercheurs et des entreprises pour intégrer l’informatique quantique dans des solutions pratiques.
• Amazon : Amazon Web Services (AWS) propose également des services liés à l’informatique quantique, permettant aux développeurs d’accéder à des ressources quantiques pour expérimenter et développer des applications.

Par ailleurs, de nombreuses startups se concentrent sur le développement de technologies quantiques, allant de la création de qubits à l’élaboration d’algorithmes quantiques. Ces entreprises cherchent à trouver des applications pratiques pour l’informatique quantique dans divers secteurs.

Les gouvernements, les instituts de recherche et les universités

Certains gouvernements investissent dans la recherche quantique et mettent en place des programmes de financement et des partenariats entre le secteur public et privé pour encourager le développement de l’informatique quantique.

 

 

L’ordinateur quantique présente-t-il un danger ?

L’émergence de l’informatique quantique soulève des préoccupations quant à ses implications sur la sécurité, la cryptographie et d’autres domaines critiques.

• La cryptographie et la sécurité des données : L’un des principaux dangers associés aux ordinateurs quantiques réside dans leur capacité à briser les systèmes de cryptographie actuels. Cela signifie que des systèmes de sécurité basés sur des clés de cryptage, tels que RSA, pourraient devenir vulnérables, compromettant ainsi la sécurité des communications et des transactions en ligne. Ainsi, les experts s’inquiètent de la possibilité que des acteurs malveillants utilisent des ordinateurs quantiques pour accéder à des données sensibles, ce qui pourrait avoir des conséquences graves pour la confidentialité et la sécurité des informations.
• Le problème de la correction d’erreurs : Les ordinateurs quantiques sont sujets à des erreurs dues à la décohérence et à d’autres facteurs. De fait, la correction d’erreurs quantiques est un domaine de recherche à part entière. Si ces erreurs ne sont pas correctement gérées, cela pourrait compromettre la démocratisation de l’informatique quantique qui resterait purement à l’état théorique.
• L’impact sur l’intelligence artificielle : Si les ordinateurs quantiques deviennent capables de traiter des données à des vitesses beaucoup plus élevées, cela pourrait conduire à des avancées rapides dans le domaine de l’IA. Cependant, cela soulève des questions éthiques et de sécurité, notamment en ce qui concerne l’utilisation de l’IA.
• Les inégalités d’accès : L’accès inégal à la technologie quantique pourrait exacerber les disparités entre les pays et les entreprises. Les nations et les entreprises qui maîtrisent l’informatique quantique pourraient avoir un avantage stratégique significatif, ce qui pourrait entraîner des tensions géopolitiques et des conflits.

 

L’ordinateur quantique existe-t-il déjà ?

L’ordinateur quantique reste une technologie en pleine évolution et, bien qu’il ait fait des progrès significatifs, il n’est pas encore disponible sous une forme pleinement opérationnelle et accessible au grand public. Les chercheurs estiment qu’il faudra encore plusieurs années, voire décennies, avant que des ordinateurs quantiques pleinement fonctionnels et fiables soient disponibles.

 

• Le développement : Les ordinateurs quantiques sont encore principalement au stade de recherche et de développement. Des entreprises comme IBM, Google ou Amazon ont construit des prototypes d’ordinateurs quantiques, mais ces systèmes sont souvent limités en termes de qubits et de fiabilité des résultats. Par exemple, IBM a développé la puce Heron, qui dispose de 157 qubits, mais cela reste insuffisant pour le moment.

 

• Les limitations techniques : Construire des ordinateurs quantiques reste un défi, car les composants doivent être dans le vide et à des températures proches du zéro absolu. Les contraintes de fabrication sont donc énormes et la moindre erreur compromet tout le système. De plus, ils sont volumineux et nécessitent une grosse infrastructure pour fonctionner correctement.
• L’accès et l’utilisation : Actuellement, l’accès aux ordinateurs quantiques est principalement limité aux chercheurs et aux entreprises disposant de ressources suffisantes. Certaines plateformes cloud, comme IBM Quantum Experience ou Microsoft Azure Quantum, permettent aux utilisateurs de soumettre des tâches à des ordinateurs quantiques via le Cloud, mais cela reste une expérience de recherche plutôt qu’un produit commercial accessible au grand public.

 

Quel rapport entre informatique quantique et les cryptomonnaies ?

L’émergence de l’informatique quantique soulève des questions concernant la sécurité et la viabilité des cryptomonnaies. Si les technologies quantiques continuent de progresser et deviennent accessibles au grand public, alors les méthodes de chiffrement des blockchains pourraient devenir obsolètes.

En effet, les cryptomonnaies, telles que Bitcoin et Ethereum, reposent sur des principes cryptographiques pour sécuriser les transactions et contrôler la création de nouvelles unités. La cryptographie à clé publique, en particulier, est au cœur de ces systèmes. Elle permet aux utilisateurs de générer une paire de clés : une clé publique, qui peut être partagée avec d’autres pour recevoir des fonds, et une clé privée, qui doit rester secrète et est utilisée pour signer des transactions.

Les algorithmes de cryptographie couramment utilisés, comme RSA, reposent sur des problèmes mathématiques complexes, tels que la factorisation de grands nombres ou le logarithme discret, qui sont difficiles à résoudre pour les ordinateurs classiques.

Cependant, si un acteur malveillant disposait d’un ordinateur quantique opérationnel, il pourrait « facilement » déchiffrer les clés privées des utilisateurs de cryptomonnaies. C’est-à-dire qu’il pourrait craquer la clé de chiffrement en y mettant relativement peu de temps et de puissance de calcul.

Face à cette menace, des chercheurs en cryptographie s’efforcent de développer de nouveaux algorithmes qui seraient résistants aux attaques des ordinateurs quantiques. Comme les précédents, ceux-ci reposeront sur des problèmes mathématiques qui, selon les connaissances actuelles, ne pourront pas être résolus facilement par des ordinateurs quantiques.

 

Ordinateur quantique et IA : L’avenir de l’informatique ?

 

Ils représentent tous deux des avancées technologiques majeures du XXIe siècle. Leur combinaison pourrait transformer radicalement le paysage de l’informatique.

Les applications potentielles de l’IA couplée à l’informatique quantique sont vastes et variées :

• Analyse de données massives : Les ordinateurs quantiques pourraient traiter des ensembles de données massifs à des vitesses inégalées, permettant des analyses plus approfondies et des insights plus rapides dans des domaines tels que la finance, la santé et le marketing.
• Prédictions et recommandations : En améliorant les algorithmes de machine learning, l’informatique quantique pourrait permettre des prédictions plus précises et des systèmes de recommandation plus efficaces, transformant des secteurs comme le commerce électronique et la publicité.
• Développement de médicaments : L’IA, combinée à la puissance de calcul des ordinateurs quantiques, pourrait accélérer le processus de découverte de médicaments en simulant des interactions moléculaires complexes et en identifiant rapidement des candidats prometteurs.

Toutefois, malgré les promesses, cela n’est pas sans danger. Alors que les ordinateurs quantiques deviennent plus performants et que les algorithmes d’IA continuent d’évoluer, nous pourrions assister à des percées dans des domaines critiques. Il s’agira alors de se poser des questions éthiques, notamment dans la cybersécurité, avec des implications pour la vie privée et la sécurité.

 

Conclusion

Au final, l’ordinateur quantique est à la croisée des chemins entre la science-fiction et la réalité. Bien que des avancées significatives aient été réalisées, notamment par des géants de l’informatique comme IBM et Google, de nombreuses étapes restent à franchir avant que ces machines ne deviennent accessibles et fiables pour un usage commercial. Les promesses de l’informatique quantique sont immenses, allant de la cryptographie à l’optimisation, en passant par la recherche pharmaceutique. Alors que de nombreux pays investissent massivement dans cette technologie, l’avenir de l’informatique quantique semble prometteur, et il est essentiel de suivre son évolution pour comprendre comment elle pourrait transformer notre monde. Nous espérons que ce guide vous aura donné les clés pour appréhender cette technologie et ses implications pour l’avenir de l’informatique et de la science en général.

 

Foire aux questions (FAQ) : L’essentiel sur les ordinateurs quantiques

Un ordinateur quantique, c’est quoi ?

Un ordinateur quantique est un type d’ordinateur qui utilise les principes de la mécanique quantique pour effectuer des calculs. Contrairement aux ordinateurs classiques qui utilisent des bits pour représenter des données sous forme de 0 ou de 1, les ordinateurs quantiques utilisent des bits quantiques, ou qubits, qui peuvent représenter simultanément 0 et 1 grâce à un phénomène appelé superposition. Cela leur permet d’effectuer plusieurs calculs en parallèle, et d’arriver plus rapidement à la solution par rapport à des ordinateurs classiques.

Quand pourra-t-on acheter un ordinateur quantique ?

Actuellement, les ordinateurs quantiques sont encore au stade expérimental et ne sont pas disponibles pour le grand public. Les experts estiment qu’il faudra encore plusieurs années avant que des modèles fiables et accessibles soient commercialisés. Les prévisions varient, mais certains optimistes espèrent une disponibilité dans trois ans, tandis que d’autres estiment qu’il pourrait falloir une dizaine d’années pour voir des ordinateurs quantiques efficaces sur le marché.

Ordinateur quantique : Quel prix ?

Les premiers systèmes quantiques, comme ceux développés par des entreprises telles qu’IBM et Google, sont des prototypes coûteux, souvent évalués à plusieurs millions d’euros. À mesure que la technologie se développe, il est probable que les prix diminuent, mais pour l’instant, il est difficile de donner une estimation précise.

Quel est l’ordinateur quantique le plus puissant ?

À l’heure actuelle, plusieurs entreprises sont en compétition. Fin octobre 2023, Atom Computing a annoncé avoir testé avec succès son prototype d’ordinateur quantique avec 1 180 qubits. Cependant, certains chercheurs estiment qu’il faudrait un million de qubits pour qu’un ordinateur quantique soit véritablement efficace pour des applications pratiques. La compétition pour développer le modèle le plus puissant fait rage et les annonces se succèdent régulièrement.

Existe-t-il des ordinateurs quantiques en France ?

Non, mais la France est active dans le domaine de l’informatique quantique. Le pays a lancé un plan d’investissement de 1,8 milliard d’euros pour soutenir la recherche et le développement de cette technologie. Plusieurs startups françaises travaillent sur des projets d’ordinateurs quantiques et des collaborations internationales sont également en cours.

 

Cette vidéo vous donnera un résumé des caractéristiques d’un ordinateur quantique