vignette|droite|upright=2|Circuit quantique représentant un algorithme d'un calculateur quantique (algorithme de Grover). La première ligne représente n qubits et la deuxième un qubit, les boîtes représentent des opérations, et le diagramme se lit de gauche à droite correspondant à la chronologie des opérations.. thumb|upright=2|Quantum System One (ou IBM Q System One), ordinateur quantique d'IBM (2019), doté de 20 qubits..
Un ordinateur quantique, calculateur quantique, processeur quantique.. ou système informatique quantiqueSystème informatique quantique, developpez.com., utilise les propriétés quantiques de la matière, telles que la superposition et l'intrication, afin d'effectuer des opérations sur des données. À la différence d'un ordinateur classique basé sur des transistors travaillant sur des données binaires (codées sur des bits, valant 0 ou 1), l'ordinateur quantique travaille sur des qubits dont l'état quantique peut posséder plusieurs valeurs, ou plus précisément une valeur quantique comportant plusieurs possibilités simultanées..
De petits calculateurs quantiques ont été construits à partir des . Jusqu'en 2008, la difficulté majeure concerne la réalisation physique de l'élément de base : le qubit. Le phénomène de décohérence (perte des effets quantiques en passant à l'échelle macroscopique) freine le développement des calculateurs quantiques. Le processeur quantique, unité dont les études et recherches sont en cours, est pour la première fois développé en 2009 à l'université Yale : il comporte deux qubits portés chacun par un milliard d'atomes d'aluminium posés sur un support supraconducteur.
Ce domaine est soutenu financièrement par plusieurs organisations, entreprises ou gouvernements en raison de l'importance de l'enjeu : au moins un algorithme conçu pour utiliser un circuit quantique, l'algorithme de Shor, rendrait possible de nombreux calculs combinatoiresC'est-à-dire en particulier comportant peu d'entrées-sorties par rapport au traitement. hors de portée d'un ordinateur classique en l'état actuel des connaissances. La possibilité de casser les méthodes cryptographiques classiques est souvent mise en avant. L'algorithme lui-même n'est pas quantique, il est porté par un ordinateur classique, la partie quantique ne concernant que l'unité de calcul.
Intérêt des ordinateurs quantiques L'empirique loi de Moore estimait que la taille des transistors approcherait celle de l'atome à l'horizon 2020. Dès 2015, Intel s'est heurté à des difficultés inattendues lui faisant retarder de six mois sa série Skylake gravée en , premier retard constaté sur la célèbre loi« Avec le recul aujourd'hui, on peut voir qu'en pratique les premières rumeurs de retard du avaient rapidement suivi courant 2013 où Broadwell avait commencé à glisser petit à petit sur les . En , Intel parlait officiellement d'un retard d'un trimestre blâmant les difficultés de production du », hardware.fr.. Sous les , des effets quantiques étaient censés perturber le fonctionnement des composants électroniques, bien que des circuits présentés comme de soient annoncés chez des concurrents d'Intel en 2020..
La construction (éventuelle) de grands calculateurs quantiques (plus de ) permettrait selon David Deutsch de faire certains calculs plus vite qu'un ordinateur classique qui serait aussi grand que l’Univers observable lui-mêmeCela ne signifierait pas qu'un ordinateur quantique de puisse simuler notre univers. Cela signifie que même de toutes petites portions de notre univers ne peuvent pas être simulées par un ordinateur classique..
Les calculateurs quantiques demandent des techniques de calcul différentes de programmation, mais utilisent beaucoup l'algèbre linéaire classique pour conditionner et traiter simultanément des ensembles de données liées, plus un petit ordinateur classique externe juste pour enchaîner les opérationsHow Shor's Algorithm Factors 314191 .
Que la réalisation de calculateurs quantiques de taille intéressante soit possible ou non à terme, leur premier avenir commercial ne serait probablement pas dans des applications grand public : le calcul quantique ne sait traiter que peu d’entrées et peu de sorties, avec autant de complexité que souhaité. Il se prête donc très bien aux calculs dont la complexité réside dans la combinatoire. On trouve ces problèmes dans l’ordonnancement et les autres calculs de recherche opérationnelle, en bio-informatique, et bien entendu en cryptographie. Le faible volume des entrées-sorties par rapport à celui du traitement rend par ailleurs possible et même indiqué leur usage à distance à travers le réseau InternetQuantum as a service. Certains sont ainsi mis à disposition de chercheurs via la société AmazonAmazon is now offering quantum computing as a service .
La combinatoire constitue le domaine d'application privilégié des futurs processeurs de calcul quantique. Ainsi il peut être très difficile de trouver tous les facteurs premiers d’un grand nombre (par exemple de ). Ce problème de factorisation est difficile pour un ordinateur ordinaire à cause de l’explosion combinatoire. Un circuit de calcul quantique pourrait résoudre ce problème en un temps polynomial, c’est-à-dire que pour l’ordinateur quantique, la difficulté augmenterait polynomialement au lieu d’augmenter exponentiellement.
Une analogie possible est de se représenter un calculateur quantique comme un processeur SIMD (carte graphique, par exemple) dont le nombre de pipelines serait fois le nombre N de qubits. L’analogie s’arrête là, un calculateur quantique ne pouvant fournir qu’un bit de résultat à la fois (l’état quantique étant détruit par l’observation), après quoi le calcul doit être recommencé pour demander le bit suivant. Un résultat de taille ne demande donc qu'un temps en O(N log(N)), ce qui est considérablement plus rapide que de la combinatoire classique à mesure que la valeur de N devient grande, même si ce n'est que de l'ordre du milliard. De même que l'on parle d'APU pour un processeur parallèle comme une carte graphique, on voit apparaître depuis 2021 la notion de QPU pour désigner un processeur quantique.
Cryptographie La cryptanalyse sera bien plus rapide que faite par un ordinateur classique, car augmentant de façon linéaire (en N) avec la taille N de la clé, et non de façon exponentielle (en 2N, par exemple) comme avec des méthodes de force brute, séquentielles ou même massivement parallélisées avec CUDA, voire des calculateurs très spécialisés. En effet, pour casser un chiffrement basé sur l'utilisation des nombres premiers, les ordinateurs actuels, même parallélisés, doivent résoudre ce problème dans un temps de calcul qui augmente exponentiellement avec la longueur de la clef. Ce caractère exponentiel s'évanouit dès qu'on passe de la base binaire (système actuel avec les bits) à une base de taille arbitraire et élevée grâce au qubit.
Les grandes capacités de factorisation permettraient ainsi à un calculateur quantique de casser de nombreux systèmes cryptographiques actuels, dont la plupart des méthodes de chiffrement asymétriques : RSA, ElGamal ou Diffie-Hellman. Ces algorithmes sont utilisés pour protéger des pages Web, des messages électroniques, et beaucoup d’autres types de données. Casser ces protections donnerait un « pouvoir » majeur à l’organisation ou au pays qui y parviendrait. Ce serait une sorte de réédition de l’exploit réalisé pour casser les codes Enigma.
Sécuriser un algorithme tel que RSA implique d'augmenter la taille de la clé, en suivant l'évolution des technologies permettant de casser des clés toujours plus longues. mais ceci ralentit le codage et la circulation des messages. Cette clé doit être plus grande que le plus grand des circuits de calcul quantique existants. Or la taille des moyens de calcul dont dispose par exemple la ne sera évidemment jamais rendue publique. La conséquence en est que les pays ou organismes voulant se protéger verront augmenter de plusieurs ordres de grandeur le coût et le délai de leurs communications, sans même jamais savoir si cela sert à quelque chose, et au prix d’une lourde réorganisation des communications, de leur coût, et de leur commodité.
Des moyens de chiffrement quantique existent déjà, et ne demandent pas de calculateur quantique. Leur utilisation est simplement plus complexe qu’un chiffrement standard ; ils rendent toute interception de message immédiatement détectable par altération de l'état quantique de celui-ciVoir « Impossibilité du clonage quantique »..
Des chercheurs comme Adeline Roux-Langlois et le cryptologue Benjamin Wesolowski (Unité de mathématiques pures et appliquées (CNRS/ENS de Lyon) travaillent, respectivement, à une cryptographie post-quantique (qui fait l'objet d'un concours international annuel organisé par le National Institute of Standards and Technology) et à la création de cryptographies plus résistantes aux capacités attendues des futurs ordinateur quantique.
Cryptographie quantique
Si les transmissions quantiques se généralisaient dans l’avenir, elles pourraient assurer une confidentialité totale. On ne peut en effet pas réaliser une copie exacte de l'état intriqué d'un qubit : cette règle est connue sous le nom de théorème de non-clonage. Si un nœud intermédiaire essaie de copier une requête quantique, il la perturbera nécessairement. L'émetteur de la requête pourra détecter l'existence éventuelle de cette perturbation. Cette question pose toutefois aussi celle de la faisabilité de répéteurs.
Intelligence artificielle La résolution de tâches telles que la vision par ordinateur avec reconnaissance de formes d'objets complexes a fait un pas de plus en 2016-2017. Des universitaires de Californie ont appris à un ordinateur D-Wave 2X (processeur à ) à reconnaître des arbres à partir de centaines d'images satellites de la Californie, avec des résultats corrects à 90 %, soit un peu plus précis qu'avec un ordinateur classique Jane C. Hu (2017) Science Mag, 8 mars..
Simulation de physique quantique et de physique des particules Des circuits quantiques sont déjà utilisés pour des simulations de mécanique quantique et de physique des particules., fonction pour laquelle Richard Feynman les avait imaginés au départ. Ils y sont très utiles, car les calculs quantiques deviennent complexes dès qu’on sort de quelques cas triviaux.
Prévisions financières Les calculateurs quantiques pourraient servir à analyser le caractère aléatoire des marchés financiers (analyse stochastique) et à élaborer de nouveaux modèles de prévision. Ces nouveaux outils permettraient d'évaluer la distribution de résultats dans un très grand nombre de scénarios générés au hasard, pour étudier ce qui peut arriver sur les marchés en testant un très grand nombre de scénarios possibles, générés au hasard. Ceci pourrait aider à comprendre quels scenarii ou résultats sont les plus probables, lesquels sont rares, et donc à mieux évaluer les risques ou les moyens d'orienter le marché..
Prévisions météorologiques Hartmut Neven de Google note que les ordinateurs quantiques pourraient aider à construire de meilleurs modèles climatiques.. Le service météorologique national du Royaume-Uni a déjà commencé à investir dans ces nouvelles technologies..
Autres algorithmes L'algorithme de Grover procède ainsi. Au lieu de parcourir tous les éléments d’une liste pour trouver celui qui répond le mieux à un critère (par exemple : recherche d’une personne dans l’annuaire pour trouver son numéro de téléphone), cet algorithme utilise des Les résultats devraient être en , N étant le nombre de fiches (et O représentant la comparaison asymptotique), soit mieux qu’une base de données classique non optimisée, sous réserve de disposer d’un registre quantique de taille suffisante pour les calculs.