Dans le laboratoire, une centaine d’impulsions micro-ondes part d’une électronique posée à température ambiante, descend par des câbles coaxiaux à travers les étages du réfrigérateur, frappe la puce et repart. L’affaire dure quelques microsecondes. Pendant tout ce temps, personne ne regarde rien.

Un réfrigérateur à dilution suspendu, ses trois plateaux dorés hérissés de câbles coaxiaux descendant vers le bas.
Les câbles coaxiaux d’un réfrigérateur à dilution, chez IQM à Espoo. Les impulsions micro-ondes descendent par ces câbles jusqu’à la puce, et le signal réfléchi remonte par les mêmes. (Photographie Ragsxl, 2020, Wikimedia Commons, licence CC BY-SA 4.0, page d’origine)

Le qubit acheté par la France est un courant qui tourne dans une boucle supraconductrice, à dix millikelvins, et qui porte l’information dans sa façon d’osciller. Reste à savoir ce qu’on lui fait faire.

Vous avez déjà entendu la réponse, et elle circule partout : un qubit vaudrait zéro et un en même temps, de sorte qu’une machine quantique explorerait toutes les solutions d’un seul coup, là où un ordinateur ordinaire les passe en revue une par une.

Elle est fausse. Et elle produit ensuite toutes les erreurs de raisonnement du domaine, y compris chez des gens sérieux.

Une amplitude n’est pas une probabilité

Ils le décrivent autrement. Un système quantique n’occupe pas plusieurs états à la fois, comme un tiroir contiendrait plusieurs chaussettes empilées les unes sur les autres : les physiciens lui associent une liste de nombres, un par résultat possible, qu’ils appellent des amplitudes. Une probabilité vit entre zéro et un, si bien que deux chemins menant au même résultat ne peuvent jamais faire autre chose que gonfler le total. Une amplitude, elle, porte un signe.

Comparaison entre deux probabilités qui s'additionnent toujours et deux amplitudes qui peuvent se retrancher.
Deux probabilités ne peuvent que s’ajouter. Deux amplitudes de signes opposés se retranchent, et le résultat peut disparaître. (Schéma Shy Robotics)

Ils peuvent donc se retrancher au lieu de s’ajouter, ces deux chemins, et un résultat parfaitement possible devient alors impossible parce qu’un autre l’a effacé. Les physiciens appellent cela une interférence, du même mot qu’ils emploient pour deux vagues qui se croisent.

La règle tient en deux temps, dans cet ordre. On additionne d’abord les amplitudes de tous les chemins. On élève ensuite le résultat de cette addition au carré pour obtenir la probabilité.

Deux ondes en phase qui se renforcent, puis deux ondes en opposition qui s'annulent, avec le résultat mesuré en dessous.
En phase, les deux chemins se renforcent. En opposition, ils s’annulent. C’est cette possibilité d’annulation qui n’existe nulle part en informatique ordinaire. (Schéma Shy Robotics)

Inverser ces deux temps change tout. Un ordinateur ordinaire élève d’abord au carré, puis additionne. Rien ne s’annule jamais chez lui.

Un algorithme quantique orchestre des annulations

Tout l’art tient donc dans une orchestration : faire s’annuler les amplitudes des mauvaises réponses, faire s’additionner celles de la bonne, de sorte qu’à la fin la mesure tombe presque toujours sur ce qui reste debout.

Quatre étapes dessinées : préparer les possibilités, faire s'annuler les mauvaises, renforcer la bonne, mesurer.
Les quatre temps d’un algorithme quantique. L’annulation des mauvaises réponses fait tout le travail ; la mesure ne fait que constater. (Schéma Shy Robotics)

La machine n’essaie donc rien. Elle sculpte.

Cette distinction a une conséquence redoutable, et elle explique pourquoi si peu de problèmes conviennent : un problème ne devient accélérable que si quelqu’un a trouvé comment orchestrer l’annulation pour ce problème précis, et personne ne sait le faire à la demande.

Trois temps, et interdiction de regarder

Pour un ordinateur ordinaire, chacun voit à peu près de quoi il retourne : une suite d’opérations élémentaires sur des bits, exécutées l’une après l’autre, chacune lisant des valeurs quelque part et en écrivant d’autres ailleurs. Pour une machine quantique, rien de tel.

Le 9 décembre 2024, quand Google publie sa mémoire logique, la séquence est déjà rodée depuis des années. Les physiciens préparent d’abord les qubits dans un état de départ connu. Ils leur appliquent ensuite une suite d’opérations élémentaires, les portes quantiques, que le CEA présente comme les équivalents des portes logiques d’un circuit ordinaire. Ils mesurent enfin, une seule fois, à la fin.

En haut cinq étapes en file qui lisent et écrivent à chaque fois ; en bas trois lignes de qubits parcourues par une suite de portes, avec une seule mesure au bout.
Un calcul classique lit et écrit à chaque étape. Un calcul quantique enchaîne des portes sans jamais regarder, et ne mesure qu’une fois, à la fin. (Schéma Shy Robotics)

Ils n’écrivent aucune instruction dans une mémoire. Pour appliquer une porte, les ingénieurs envoient une impulsion micro-onde de durée et de fréquence précises, sur un qubit pour faire basculer son état, ou sur deux qubits pour les lier l’un à l’autre. Cent portes, cent impulsions, quelques microsecondes.

Ils ne regardent jamais entre la préparation et la mesure finale. Pas par élégance : regarder détruirait la superposition, au même titre qu’une perturbation venue du dehors. Le CEA range la mesure parmi les interactions qui font s’effondrer l’état.

Factoriser quinze, du début à la fin

Prenons un exemple, le plus petit qui ait un sens : décomposer 15 en 3 fois 5. Quinze est le plus petit nombre composé qui remplisse les conditions du test, produit de deux nombres premiers et non pair, et une équipe de Santa Barbara l’a factorisé dès 2012 sur un processeur supraconducteur. L’entrée est le nombre 15, écrit en binaire sur les qubits au moment de la préparation, et le circuit enchaîne ensuite quelques centaines de portes qui font s’annuler les mauvaises pistes.

Quatre étapes numérotées, de l'entrée au post-traitement, et à droite un histogramme des tirages obtenus en répétant le circuit.
Le trajet complet d’un calcul quantique, du nombre à factoriser jusqu’aux facteurs. La sortie brute n’est pas la réponse : c’est un tirage, qu’un ordinateur ordinaire interprète ensuite. (Schéma Shy Robotics)

C’est la sortie qui déroute. La mesure ne rend pas 3 et 5 : elle rend une suite de zéros et de uns, tirée au sort, qui n’est pas la réponse mais un indice, dont un ordinateur ordinaire déduit ensuite les facteurs par un calcul classique très simple.

Et il faut recommencer. Une exécution donne un tirage, et c’est la distribution de milliers de tirages qui porte l’information : dans les laboratoires de Google, en décembre 2024, une expérience type comptait cent mille répétitions du même circuit.

Voilà la vraie différence de nature avec une fonction ordinaire. Vous ne lui demandez pas un résultat : vous lui demandez de biaiser un dé, puis vous lancez ce dé des milliers de fois pour voir de quel côté il penche. La machine ne calcule pas la réponse. Elle la rend beaucoup plus probable que les autres. Reste une contrainte que tout ce qui précède a laissée passer sans la nommer. La chorégraphie entière doit aller jusqu’au bout d’un seul tenant, sans qu’aucun danseur ne trébuche, car si l’un flanche en route, aucune étape intermédiaire n’a été gardée : tout le calcul est perdu.

Combien de temps un qubit tient-il debout ?

Le prochain épisode donne le chiffre, et il explique pourquoi la France en a acheté dix-huit plutôt que mille.

Sources

Partager

ARTICLES CONNEXESPLUS DE L'AUTEUR

Laisser un commentaire