L’informatique quantique en pleine incertitude

Révolution ? Canular ? Expérience mal conçue? La physique quantique nous a habitué à un monde sans certitudes, mais la démonstration de D-Wave Systems qui a eu lieu mardi 13 février n’a pas fini de susciter des interrogations.

Révolution ? Canular ? Expérience mal conçue ? La physique quantique nous a habitué à un monde sans certitudes, mais la démonstration de D-Wave Systems qui a eu lieu mardi 13 février n’a pas fini de susciter des interrogations.

Tout commence début février lorsque la société D-Wave annonce la présentation pour cette date du premier ordinateur quantique commercial. Ce domaine étant encore très expérimental, l’annonce fait du bruit : on pensait que les premières vraies applications dans ce domaine ne débarqueraient que dans une ou deux décennies. Et voici que D-Wave affirme avoir mis au point un prototype nommé Orion, doté de 16 qubits, c’est à dire capable d’effectuer environ 64 000 calculs simultanément !

Dans l’attente, le landernau des informaticiens quantiques garde tout son scepticisme. Puis vient le grand jour, la démonstration a lieu. Mais hélas, les interrogations ne s’éteignent pas pour autant. Pas moyen de déterminer si les prétentions de D-Wave à révolutionner la science du calcul sont fondées ou non.

Grosso modo, la démonstration s’est effectuée en trois parties : tout d’abord on a demandé à Orion de trouver une molécule au sein d’une base de données pharmaceutique ; ensuite, d’organiser les invités lors d’un banquet de mariage particulièrement complexe ; enfin de remplir des grilles de sudoku.

Orion a résolu ces divers problèmes assez facilement, mais pas plus vite qu’un bon vieux PC. La question qui se pose n’est pas donc de savoir si Orion est plus puissant que les ordinateurs classiques, contemporains : il ne l’est pas. Ce qu’il faut savoir c’est si oui ou non il met en jeu une technologie nouvelle qui, avec le temps et de nombreux progrès, se révélera alors d’une puissance inégalée sur certains types de problèmes. Et c’est là qu’on entre dans le brouillard. Il est en effet difficile de savoir exactement ce qu’Orion a fait le 13 février. En fait, il n’était même pas présent sur les lieux de la démonstration. On ne pouvait apercevoir l’énorme machine qu’en vidéo, et on s’adressait à elle par l’intermédiaire de PC connectés à distance. Plus ennuyeux, D-Wave n’a pas communiqué ses méthodes par le média favori des chercheurs : les articles « analysés par les pairs » (peer reviewed) : ils se sont comportés comme une société d’informatique présentant un nouveau modèle, et ne sont pas passé par les circuits traditionnels de la recherche. Du coup, on se demande si on n’est pas dans la réédition d’une affaire comme la fusion froide ou la mémoire de l’eau.

Le consensus semble cependant écarter l’idée d’une fraude délibérée. Mais des chercheurs suspectent que le travail de D-Wave ne serait pas de l’informatique quantique stricto sensu, mais quelque chose d’autre. Cela, même Herb Martin, l’un des patrons de D-Wave le reconnaît : Orion ne serait pas un ordinateur quantique au sens strict du terme, mais plutôt une machine spécialisée employant la mécanique quantique pour résoudre un certain type de problèmes. « Les utilisateurs se moquent du calcul quantique. Il se préoccupent de l’accélération des applications[…] Construire un ordinateur quantique généraliste serait une perte de temps. Vous pourriez investir des centaines de milliards de dollars là dedans. »

Le calcul quantique
Les ordinateurs classiques fonctionnent autour d’une architecture binaire : les unités d’information, les bits, peuvent prendre deux valeurs, 0 ou 1. Au plan de l’architecture hardware, cela signifie que le courant passe ou pas. Lorsqu’on entre dans le monde infiniment petit de la physique quantique, cependant, des choses tout à fait fascinantes se passent. Un objet (ce peut être un photon, un électron etc. ) est capable d’exister en deux états à la fois : par exemple un électron peut être situé sur deux orbites différentes autour d’un noyau, ou il peut passer par deux endroits simultanément. Cet état dit de superposition n’existe cependant que lorsqu’il n’existe pas d’observateur. Si on mesure la particule en question, la superposition s’évanouit. La particule « choisit » son état et les bizarreries s’arrêtent. Le secret de l’informatique quantique consiste donc à manipuler des objets de types électron ou photon et leur faire représenter une information non pas dans un état ou un autre mais plutôt dans tous les cas de figure possibles. Cette technique permet de multiplier de façon exponentielle l’information. Ainsi, un ordinateur à deux bits peut représenter un des quatre nombres suivants : 0,1, 10, 11, autrement dit 0, 1, 2 et 3 en langage binaire. Mais un ordinateur quantique de deux qubits est capable de stocker ces 4 nombres à la fois ! Un ordinateur de 300 qubits serait donc capable de stocker plus de bits qu’il n’existe d’atomes dans l’univers entier.

Les ordinateurs quantiques servent donc à effectuer des calculs « massivement parallèles », mais avec une nuance : lorsque finalement la « mesure » est prise, il ne reste plus de superposition et une seule des solutions devient alors disponible pour l’utilisateur. C’est pourquoi on pense que les ordinateurs quantiques seront surtout utilisés dans des applications qui impliquent un choix parmi une multitude d’alternatives. Une telle machine serait ainsi capable de factoriser de très grands nombres (ce qui lui permettrait de craquer n’importe quelle clé cryptographique) de chercher dans de larges bases de données, de naviguer de manière optimale au sein d’une explosion combinatoire, comme dans le cas du fameux « problème du voyageur de commerce » ou encore de se livrer à des simulations très précises, notemment dans le domaine de la physique quantique elle-même. D’ailleurs, selon Seth Lloyd, fameux chercheur du domaine et auteur de Programming the Universe, notre univers ne serait rien d’autre qu’un gigantesque calculateur quantique !

Mais il existe un problème majeur : la décohérence. L’observateur qui casse la superposition n’est pas forcément un être humain, mais tout système extérieur au comportement de la particule, susceptible d’interagir avec elle. Si on construit un trop gros ordinateur quantique,il devient difficile de maintenir l’isolation nécessaire. Comme le dit Seth Lloyd, « on n’a pas de difficultés à construire des ordinateurs quantiques, on en a à en construire des gros ».

De fait, les prototypes existant jusqu’ici se limitaient à 7 qubits. Le passage à 16 annoncé par D-Wave est donc déjà en soi une révolution. Plus étonnant encore : Orion utilise une technologie particulière, dites « adiabatique » qui repose sur l’usage des supra-conducteurs. Or, les ordinateurs adiabatiques déjà construits ne dépassent pas les trois bits.

Au coeur d’Orion
Un excellent article d’Ars Technica analyse la technologie employée par Orion – et nous expose ses faiblesses : l’intérieur de l’appareil est refroidi à l’hélium liquide jusqu’à atteindre deux ou trois degrés au dessus du zéro absolu. Il fait 500 fois plus froid dans cette machine que dans l’espace interstellaire. Au centre se trouve le « processeur » : une grille de 16 qubits, chacun étant relié à ses voisins immédiats, horizontalement, verticalement ou en diagonale.

Et c’est précisément là que le bât blesse. En théorie, dans un ordinateur quantique, chaque qubit est relié à tous les autres. Or, précisément, Orion ne possède pas cette propriété. On ne peut vraiment juger aujourd’hui si cela affectera ses performances dans l’avenir.

Autre difficulté propre à l’informatique quantique : la correction des erreurs, qui peuvent intervenir facilement lors d’un calcul quantique. C’est pourquoi un tel calculateur aura besoin, dans la pratique, d’un assez grand nombre de qubits : une bonne partie d’entre eux sera consacrée à cette tâche. Une étape qu’Orion zappe complètement. Du coup, la seule manière d’éviter les fautes consiste à reprendre plusieurs fois de suite les opérations, puis de sélectionner la solution qui semble la plus vraisemblable. Ce n’est pas vraiment de la triche, mais on peut se demander si ce genre de bricolage tiendra longtemps lorsque les applications seront plus exigeantes que le remplissage de quelques grilles de Sudoku.

Pour les créateurs de D-Wave,un appareil comme le leur pourrait cependant ouvrir la porte à de nombreuses applications pratiques, notamment dans le domaine des sciences de la vie, où il pourrait concourir à la création de nouveaux médicaments ou aider à résoudre des problèmes très difficiles de la bio – et nanotechnologie, comme la prédiction du pliage des protéines. En revanche, les concepteurs d’Orion semblent peu s’intéresser à la cryptographie.

Que pensent donc les grands pontes du domaine ? David Deutsch, créateur du concept d’informatique quantique et auteur du génial Etoffe de la réalité (Cassini, 2003), se montre assez peu loquace dans un entretien avec Wired. En tout cas, il ne rejette pas en bloc les affirmations de D-wave. Seth Lloyd, se montre un peu plus disert : Lloyd remarque que si D-Wave réussit dans cette opération, son succès est assuré, mais, précise-t-il, « vu les chances, ce n’est pas dans cette société que j’investirais mon argent« .

D’autres ont été plus audacieux. En mai 2006, D-Wave arrivait à récolter 14 millions de dollars. Indifférente aux polémiques, la société promet une machine doté de 1000 qubits pour 2008, et affirme qu’elle permettra bientôt à ceux qui le souhaitent de tester les performances d’Orion via l’internet.

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7 commentaires

  1. je ne suis pas sûr d’avoir bien compris : ça veut dire que si Orion créé une machine à 1000qubits l’année prochaine et permet à tous de tester des programmes dessus, les méthodes de cryptographie actuelles deviendront immédiatement caduques ?

  2. En fait, on remarque que d-wave ne mentionne pas la cryptographie dans les applications d’orion, et l’un des patrons du groupe a même défini cette dernière comme une « diversion » (« red herring », pour employer une difficilement traduisible expression anglaise.). Pour ma part, sans pouvoir l’affirmer, j’ai la nette impression que les limites d’Orion (les qubits ne sont pas tous reliés entre eux, pas de correction des erreurs..) l’empêchent en réalité de se livrer aux algorithmes quantiques susceptibles de « craquer » la cryptographie…

  3. Il n’est pas exact de dire qu’un ordinateur quantique pourrait craquer n’importe quelle clé cryptographique. Il est vrai que la cryptographie dite asymétrique serait totalement compromise puisque le « cassage » d’une clef RSA de n bits nécessiterait de l’ordre de (log n)^3 opérations. Puisque les clefs asymétriques utilisées actuellement (pour la signature électronique, l’échange de clefs symétriques, etc.) ont une longueur de quelques milliers de bits au plus, elles pourraient donc être cassées en quelques milliards d’opérations, ce qui reste raisonnable après tout pour peu qu’on parvienne à construire un ordinateur quantique avec assez de qubits.
    En revanche, la cryptographie asymétrique est bien mois menacée par l’apparition d’un ordinateur quantique. En effet, le meilleur algorithme connu à ce jour (l’algorithme de Grover) permet de casser une clef symétrique de n bits en 2^(n/2) opérations, contrairement aux ordinateurs actuels qui ont besoin de 2^n opérations. C’est mieux, mais ce n’est pas la panacée, loin de là. Ca permettrait peut-être de retrouver une clef AES de 128 bits en 2^64 opérations, ce qui est déjà énorme. Cependant l’AES a été conçu pour pouvoir accepter des clefs de 256 bits (je me demande même si Skype n’utilise pas cette longueur de clef pour chiffrer les communications), et casser de telles clefs nécessiterait 2^128 opérations, ce qui n’est pas à mon avis envisageable pendant un bon bout de temps. Quand bien même, on pourrait facilement créer des « AES+ » gérant des longueurs de clefs encore supérieures, et un ordinateur quantique sortirait invariablement perdant de ce combat.
    Pour résumer, avec un ordinateur quantique, on gêne un peu la cryptographie symétrique et on tue la cryptographie asymétrique actuelle. Il faudrait donc penser à changer celle-ci. C’est sans doute possible à moyen terme : de nombreux chercheurs réfléchissent sur des algorithmes asymétriques ne reposant plus sur le problème de la factorisation qu’un ordinateur quantique saurait si bien casser. Pour peu que ces nouveaux algorithmes ne puissent pas être cassés par un ordinateur quantique, ils pourraient alors remplacer avantageusement RSA.
    Bref, la cryptographie est loin d’être vaincue d’avance par un hypothétique ordinateur quantique…

  4. Vos données sur les caractéristiques de cette technologie sont intéressantes. D-Wave m’avait offert y a deux ans une franchise pour le Québec; je suis heureux maintenant d’ y avoir réfléchi deux fois plutôt qu’une!

  5. la probrematique quantique est une avancer de l’esprist sur la matiere
    croire sans voir

    la croiser des chemins

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