Le monde de la quantique a fait récemment des remous dans les médias suite à l’annonce d’IBM de la mise en vente d’un ordinateur quantique lors du CES 2019, la conférence sur les nouvelles technologies. Il s’agit du premier ordinateur quantique commercialisé d’IBM, comportant 20 qbits.

Vous ne savez peut-être pas ce qu’est un qubit ni comment il est généré dans un ordinateur comme le Q System One : tout est expliqué dans ma page Qubits supraconducteurs.

Les ordinateurs quantiques actuels dans le domaine de la recherche peuvent comporter jusqu’à une centaine de qbits. IBM s’impose en réalisant un ordinateur qui peut fonctionner sans assistance de chercheurs. Réussir à commercialiser à terme des ordinateurs quantiques plus puissants en capacité de qubits permettra de faire fonctionner des algorithmes quantiques.

Une réalisation précédente d’IBM est l’ordinateur quantique baptisé D-Wave, accessible par le cloud. On peut donc tester des programmes sans avoir acheté l’ordinateur. Son coût de fabrication est estimé à environ 15 millions d’euros. Les qubits sont situés sur le processeur (image ci-dessous) qui est refroidi à une température très proche du 0 absolu (0.0015 K soit -273°C).

Cette veille technologique sur les ordinateurs quantiques a pour vocation de présenter le fonctionnement d’un de ces ordinateurs en montrant ce qui est réalisable aujourd’hui et en appuyant le lien entre qubits et performances. On montrera aussi les paramètres limitant les performances et ce vers quoi on pourra tendre dans le futur.

Les ordinateurs quantiques d’aujourd’hui qui commencent à être commercialisés ou mis à disposition du public, comme le D Wave ou le Q system One, utilisent des circuits supraconducteurs pour générer des qubits. Il existe d’autres types de qubits que nous n’allons pas détailler ici.

Une première chose à savoir est qu’un ordinateur quantique n’est pas un superordinateur. Il ne va pas remplacer nos ordinateurs « classiques » mais va servir à la résolution de certains problèmes complexes. Il s’agit donc d’un calculateur qui va utiliser les propriétés particulières des qubits. Certaines résolutions de problèmes seront nettement plus rapides si elles sont réalisés sur un ordinateur quantique (en utilisant d’un algorithme quantique, ie un code adapté au système quantique) que sur un ordinateur classique.

Un exemple est l’algorithme de Shor qui a vocation de factoriser rapidement un entier naturel N, N pouvant être un très grand nombre. Un algorithme classique devient rapidement impraticable (trop lent) pour des grands nombres. Cet algorithme peut servir à cracker des codes RSA (qui protègent nos données en ligne) très rapidement, ce qui fait peur vis à vis de ses capacités de hacking. Il faut toutefois relativiser car pour l’instant IBM à réussi à factoriser 15 en 3 et 5 avec un ordinateur à 7 qubits (en 2001). On est encore loin de réaliser des ordinateurs quantiques avec assez de qubits pour cracker des codes RSA (si vous souhaitez plus d’information sur les algorithmes quantiques et les temps de calculs, une bonne compilation très intéressante est faite ici ).

Les qubits sont l’élément de base d’un ordinateur quantique. Comme un ordinateur classique, il faut aussi des portes quantiques pour réaliser des opérations sur les qubits et un système de mesure de l’état du qubit. Tout est expliqué sur une autre de mes pages par ici !

On se concentre dans un premier temps sur la disposition physique des qubits : ils sont situés dans un processeur qui est lui même situé tout en bas d’une tour maintenue par le haut, une sorte de stalactite. Sur la première image du Q system one, cette tour est cachée derrière un panneau cylindrique qui rend l’ordinateur plus esthétique.

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Comme expliqué dans la page qubits supraconducteurs, ces qubits existent que pour de très faibles températures. En terme de refroidissement, l’hélium liquide refroidit l’ensemble en générant un gradient de température avec la température la plus froide atteinte au niveau du processeur quantique.

Parlons donc un peu cryogénie. Bien contrôler la température est un des actionneurs pour avoir un bon temps de cohérence des qubits. Dans la colonne, la température diminue graduellement et pour refroidir à ces températures proches du zéro absolu, il faut utiliser de l’hélium liquide (oula c’est cher !). Mais pour refroidir dans le mK, il faut utiliser un isotope de hélium, l’hélium 3 qui n’est fabriqué que dans des centrales nucléaires (ou alors se récupère sur les bombes H) et qui coûte extrêmement cher (il s’agit d’un des éléments qui fait le prix de l’ordinateur quantique). Il existe des équipement de recyclage de l’hélium qui évite d’avoir à en racheter à chaque utilisation mais ceux-ci coûte aussi très cher.

L’enceinte est isolée magnétiquement et est sous vide. On retrouve tout en haut les sources micro-ondes qui actionnent les portes quantiques (elles n’ont pas besoin d’être refroidies) et ensuite les câbles qui envoie les micros-ondes sur le processeur tout en bas et aussi les câbles qui envoie l’entrée en bit et récupère la lecture en bits aussi. Le refroidissement est réalisé à l’aide de réfrigérateurs à dilution à sec. L’hélium circule dans des conduits au niveaux des plaques de la colonne (on peut voir les tubes en serpentin sur l’image un peu plus haut).

On peut terminer cette présentation sur une discussion à propos de la consommation énergétique d’un tel ordinateur. A titre d’exemple, un D-Wave consomme environ 15 KW soit nettement moins que n’importe quel supercalculateur actuel. Le plus puissant des supercalculateur consomme 15 MW soit 1000 fois plus (puissance de calcul de 93 pétaflops). Concernant son prix, le D-Wave coûte 15 millions d’euros à fabriquer mais on peut espérer que le coût de fabrication n’augmente pas avec l’amélioration des ordinateurs quantiques. On attend tout de même avec impatience la révélation du prix de vente du premier ordinateur quantique commercialisable, le Q system One.

Bibliographie :

[1] Veille scientifique et technologique, les consommateurs américains d’hélium liquide donne de la voix, https://www.diplomatie.gouv.fr/fr/politique-etrangere-de-la-france/diplomatie-scientifique/veille-scientifique-et-technologique/etats-unis/article/les-consommateurs-americains-d-helium-liquide-donnent-de-la-voix
[2] Olivier Ezratty, Comprendre l’informatique quantique, https://www.oezratty.net/wordpress/2018/comprendre-linformatique-quantique-ordinateur-quantique/
[3] MIT technology review, What is a quantum computer, https://www.technologyreview.com/s/612844/what-is-quantum-computing/
[4] Why companies are buying D-Wave quantum computers, https://www.technologyreview.com/s/612844/what-is-quantum-computing/
[5] Scientific american, How Close Are We Really to Building a Quantum Computer, https://www.scientificamerican.com/article/how-close-are-we-really-to-building-a-quantum-computer/
[6] Wall street pit, IBM Unveils Its First-Ever Standalone Quantum Computer Designed for Businesses, https://wallstreetpit.com/115046-ibm-first-ever-standalone-quantum-computer/