💾 Tech - Les ordinateurs quantiques pour les nuls (et les curieux avancés)

Un voyage depuis les bits classiques jusqu’aux promesses de l’ère quantique.

Pourquoi on parle d’ordinateurs quantiques ?

L’informatique classique repose sur des transistors, qui manipulent des bits (0 ou 1). C’est le modèle de Turing, et il est universel... mais pas toujours efficace. Certains problèmes, comme la simulation de réactions chimiques ou la factorisation de grands nombres premiers, sont exponentiellement longs à résoudre avec un ordinateur classique.

L’ordinateur quantique n’est pas plus rapide pour tout : il est plus rapide pour certains types de calculs où la nature même du problème s’aligne avec le fonctionnement de la physique quantique.

Partie 1 : Comprendre les bases pour les néophytes

Bits vs Qubits

Concept	Informatique classique	Informatique quantique
Unité de base	Bit (0 ou 1)	Qubit (quantum bit)
État possible	Un à la fois	Plusieurs états simultanés
Architecture	Binaire linéaire	Multi-états et probabiliste

Un qubit est généralement représenté sur la sphère de Bloch, où n’importe quel point à la surface correspond à un état quantique valide.

Superposition

Un qubit peut être dans un état superposé :
Exemple :

|ψ⟩ = α|0⟩ + β|1⟩

Avec α et β étant des coefficients complexes, tels que |α|² + |β|² = 1. Ces coefficients représentent la probabilité d’observer 0 ou 1 lors d’une mesure.

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L’analogie du qubit expliqué simplement

1. L’analogie avec une pièce

Imaginons que tu as une pièce et que tu veux savoir si elle tombe sur pile ou face. Il y a deux résultats possibles, n’est-ce pas ?

• Si la pièce tombe sur pile, c’est comme si le qubit était dans l’état |0⟩.
• Si la pièce tombe sur face, c’est comme si le qubit était dans l’état |1⟩.

2. La superposition (la magie de la mécanique quantique)

Maintenant, imagine que avant de laisser tomber la pièce, au lieu de dire qu’elle est pile ou face, elle est un peu les deux à la fois. Elle est en superposition de pile et face. C’est exactement ce que fait un qubit.

• Avant de mesurer, le qubit n’est pas simplement 0 (pile) ou 1 (face), il est un mélange des deux en même temps !
• C’est une idée étrange, mais en mécanique quantique, une particule peut être dans plusieurs états à la fois, tant qu’on ne la mesure pas.

3. La mesure

Lorsque tu mesures le qubit, c’est là que ça devient plus facile à comprendre : le qubit choisit un état ! Il devient soit 0 (pile), soit 1 (face), mais de manière aléatoire, avec une certaine probabilité.

• Exemple 1 : Si un qubit est dans une superposition 50% pile et 50% face, alors quand tu mesures, il y a une chance sur deux que tu aies pile ou face.
• Exemple 2 : Si un qubit a une probabilité de 60% d’être 0 (pile) et de 40% d’être 1 (face), alors lors de la mesure, tu as plus de chances de trouver pile, mais ce n’est pas garanti.

4. En résumé

• Avant de mesurer : le qubit est un mélange de 0 et 1, comme une pièce qui est un peu pile et un peu face en même temps.
• Quand tu mesures : il choisit un état, soit pile, soit face, avec une probabilité déterminée par sa "combinaison" d’α et β (les coefficients).

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Intrication (Entanglement)

Deux qubits peuvent être intriqués, c’est-à-dire que leur état est interdépendant, même s’ils sont physiquement éloignés.

Exemple :

|Φ⁺⟩ = (|00⟩ + |11⟩) / √2

Voici une mise en page en Markdown pour expliquer l’état quantique $|Φ⁺⟩$ avec l’exemple des pièces :

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Comprendre l’état quantique |Φ⁺⟩ avec des pièces

L’état |Φ⁺⟩

|Φ⁺⟩ = (|00⟩ + |11⟩) / √2

Cela signifie que deux qubits (comme des pièces quantiques) sont intriqués, c’est-à-dire liés magiquement.

Imaginons deux pièces : A et B

• Si on les lance normalement, elles peuvent tomber pile (0) ou face (1).
• Mais ici, elles sont intriquées : elles ne prennent pas une valeur tout de suite.

Ce que dit l’état |Φ⁺⟩

> Tant qu’on ne regarde pas, les deux pièces sont à la fois dans les deux cas : > - Pile-pile (00) > - Face-face (11) > > Mais jamais pile-face ou face-pile.

Quand on regarde les pièces

1. On regarde la pièce A :
   • Si elle donne pile (0) 👉 alors la pièce B sera pile (0).
   • Si elle donne face (1) 👉 alors la pièce B sera face (1).
2. Cela marche même si B est à des kilomètres de A.

Résumé magique

> Deux pièces intriquées, c’est comme si elles avaient fait un pacte : > > "Peu importe où on est, on montrera toujours la même chose dès qu’on nous regarde."

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Mesure

Lorsqu’un qubit est mesuré, il s’effondre dans un état classique (0 ou 1), de façon probabiliste. La mesure détruit la superposition.

Partie 2 : Pour les curieux avancés

Porte logique quantique

Comme les circuits logiques classiques utilisent des portes (AND, OR, NOT), les circuits quantiques utilisent :

Porte	Description
Hadamard (H)	Crée une superposition
Pauli-X	Inversion (équivalent NOT)
Pauli-Y/Z	Rotation dans l’espace complexe
CNOT	Entrelace deux qubits
Toffoli	Porte logique réversible à trois qubits

Ces portes sont unitaires (réversibles) et fonctionnent sur des matrices complexes.

Algorithmes célèbres

Algorithme de Shor

Permet de factoriser un grand nombre N=pq en temps polynomial, alors que la méthode classique est exponentielle. Il met en danger les systèmes cryptographiques comme RSA (Rivest–Shamir–Adleman), utilisés massivement aujourd’hui.

Algorithme de Grover

Accélère la recherche dans des ensembles non triés en 𝑂(√𝑁) au lieu de 𝑂(𝑁). Idéal pour la recherche brute, l’optimisation ou même certaines tâches en IA (intelligence artificielle).

Simulation quantique

Certains systèmes moléculaires ou matériaux complexes sont exponentiellement difficiles à simuler pour les ordinateurs classiques, mais naturellement modélisables avec des qubits.

Matériel : Comment fabrique-t-on un ordinateur quantique ?

Types de technologies

Type de qubit	Avantages	Limites
Supraconducteurs	Rapides, compatibles avec CMOS	Nécessitent des températures très basses
Ions piégés	Très stables	Lents, complexes à manipuler
Photons	Parfaits pour la communication	Difficiles à interagir
Spins dans silicium	Compatibles avec le semi-conducteur	Technologie encore expérimentale

Environnement

Les qubits sont très sensibles au bruit. Ils doivent être isolés à des températures cryogéniques (~15 mK).

Problèmes majeurs

• Décohérence : perte d’information due à l’environnement
• Correction d’erreurs : un qubit logique ≈ 1000 qubits physiques
• Fidélité : certaines opérations ne sont fiables qu’à 90–99 %

Où en est-on aujourd’hui ?

Entreprise	Technologie	Progrès récents
IBM	Supraconducteurs	Accès public via le cloud avec Qiskit
Google	Supraconducteurs	A revendiqué la “suprématie quantique” (2019)
IonQ	Ions piégés	Interfaces API cloud avancées
D-Wave	Annealing quantique	Spécialiste en optimisation combinatoire
Quantinuum	Hybride	Haute fidélité, montée en échelle rapide

Et la cryptographie post-quantique ?

Les ordinateurs quantiques remettent en cause :

• RSA (Rivest–Shamir–Adleman)
• ECC (Elliptic Curve Cryptography)
• DSA (Digital Signature Algorithm)

Réponse du NIST : standardisation d’algorithmes résistants aux ordinateurs quantiques.

Algorithmes post-quantiques sélectionnés :

• Kyber : chiffrement
• Dilithium / Falcon : signatures numériques

Peut-on déjà programmer en quantique ?

Oui, avec des bibliothèques comme :

• Qiskit (IBM)
• Cirq (Google)
• Braket (Amazon)
• Ocean SDK (D-Wave)

Exemple Qiskit

from qiskit import QuantumCircuit, Aer, execute

qc = QuantumCircuit(1, 1)
qc.h(0)
qc.measure(0, 0)

simulator = Aer.get_backend(’qasm_simulator’)
result = execute(qc, simulator, shots=1000).result()
counts = result.get_counts()
print(counts)

Et demain ?

Horizon	Usage potentiel
2025–2030	Simulation de molécules, optimisation industrielle
2030–2040	Cryptographie post-quantique, accélérateurs IA
Long terme	Intégration dans les superordinateurs hybrides

Glossaire des acronymes

Acronyme	Signification	Description courte
Qubit	Quantum Bit	Unité de base de l’information quantique
IBM	International Business Machines	Pionnier en informatique quantique (Qiskit)
RSA	Rivest–Shamir–Adleman	Chiffrement basé sur la factorisation
ECC	Elliptic Curve Cryptography	Cryptographie sur courbes elliptiques
DSA	Digital Signature Algorithm	Système de signature numérique
PQCrypto	Post-Quantum Cryptography	Cryptographie résistante au quantique
NIST	National Institute of Standards and Technology	Organisme de normalisation américain
QASM	Quantum Assembly Language	Langage de circuits quantiques
SDK	Software Development Kit	Kit de développement logiciel
QPU	Quantum Processing Unit	Processeur quantique
CPU	Central Processing Unit	Processeur classique
IA / AI	Intelligence Artificielle / Artificial Intelligence	Systèmes d’apprentissage et de raisonnement automatisés
API	Application Programming Interface	Interface logicielle entre deux programmes

Conclusion

L’informatique quantique n’est plus un simple concept théorique. Elle avance à grands pas, portée par des chercheurs, des ingénieurs et des entreprises du monde entier. Même si les ordinateurs quantiques ne remplaceront pas les machines classiques dans tous les domaines, ils ouvriront de nouvelles possibilités là où l’informatique traditionnelle atteint ses limites.

Il est temps de s’y intéresser, que vous soyez développeur, scientifique, entrepreneur ou simple curieux. Les bases sont posées, les outils sont accessibles, et les enjeux sont majeurs. L’avenir se construit peut-être un qubit à la fois.