Sous cette rubrique, nous vous partageons au fil des mois quelques informations pertinentes pour mieux comprendre ce que sont les technologies quantiques et leurs impacts potentiels. N’hésitez pas à nous écrire si vous avez des sujets de capsule à proposer.
Qu’est-ce que la quantique?
La physique quantique, la mécanique quantique, les sciences quantiques ou simplement la quantique, autant de mots pour référer à une branche de la physique dont les fondements ont été établis sous forme de théorie dans les années 1920. Ces théories ont par la suite été vérifiées expérimentalement de nombreuses fois au fil des ans de sorte qu’elles font depuis longtemps consensus dans la communauté scientifique.
Il s’agit d’une science qui permet de décrire les comportements de la matière à l’échelle la plus fondamentale, c’est-à-dire au niveau même des électrons, des photons, des atomes, des molécules. Comme on ne peut pas toujours isoler d’aussi petits sujets d’études, pour observer les effets quantiques, il faut souvent recourir à de très faibles pressions ou très faibles températures pour limiter leurs interactions avec leur environnement.
Prononciation : À ceux qui se posent la question, sachez que selon l’Office québécois de la langue française qui a mené une consultation sur le sujet, les prononciations « kan-tik » et « kwan-tik » sont toutes deux acceptées.
Que sont les technologies quantiques?
Les technologies quantiques sont des technologies qui s’appuient sur certains effets particuliers de la mécanique quantique. De nos jours, le terme réfère généralement aux technologies appartenant à la seconde révolution quantique (dites technologies quantiques 2.0), par opposition à la première révolution quantique qui a vu naître des technologies comme le transistor, le laser, l’imagerie par résonance magnétique ou encore le GPS.
Les technologies quantiques 2.0 se distinguent de leurs prédécesseurs en ce qu’elles reposent sur notre capacité à manipuler directement des états quantiques de la matière au lieu de reposer sur des effets d’ensemble statistiques. Ceci a été rendu possible par des avancées technologiques dans des domaines connexes qui nous permettent maintenant de contrôler précisément des dispositifs à l’échelle quantique.
Les technologies quantiques sont regroupées sous quatre grandes catégories : l’informatique quantique, les communications quantiques, les capteurs quantiques et les matériaux quantiques. Continuez à nous lire pour en apprendre plus sur chacune de ces catégories.
Pourquoi l’informatique quantique génère-t-elle autant d’intérêt?
L’informatique quantique se base sur un paradigme de calcul complètement différent de l’informatique traditionnelle. Le fonctionnement de l’ordinateur quantique repose sur le concept de qubits, l’analogue quantique aux bits classiques. À la différence des bits conventionnels qui ne peuvent prendre comme valeur que 0 et 1, les qubits, eux, peuvent être dans un état de superposition entre 0 et 1. De plus, il est possible d’intriquer plusieurs qubits entre eux de sorte que leurs états soient liés.
Ce sont ces deux propriétés propres aux systèmes quantiques, la superposition et l’intrication, qui confèrent à l’ordinateur quantique une puissance de calcul exceptionnelle pour certains types de problèmes. Grâce à cela, les ressources nécessaires pour traiter un problème sur un ordinateur quantique n’augmentent pas linéairement avec la taille du problème.
Avec un ordinateur classique, pour traiter un problème deux fois plus gros, il faut deux fois plus de processeurs, d’électricité, d’espace, etc. Avec un ordinateur quantique, il suffit d’ajouter un seul qubit pour doubler la capacité de calcul. Ainsi, l’ordinateur quantique pourrait permettre d’effectuer des calculs complexes en beaucoup moins de temps qu’un ordinateur classique ou même de résoudre des problèmes qui sont autrement tout simplement impossibles à résoudre.
Quantique et cybersécurité : menace ou opportunité?
Nous vous avons présenté dans notre dernière capsule les promesses de l’informatique quantique, mais entre les mauvaises mains, l’ordinateur quantique peut malheureusement aussi se transformer en une arme redoutable. En effet, quand il aura atteint toute sa puissance, l’ordinateur quantique sera capable de décrypter la majorité des informations cryptées qui circulent sur nos réseaux de communication. Cela n’est pas anticipé avant une dizaine d’années réalistement, mais la menace est déjà bien réelle. Effectivement, les pirates informatiques sont déjà en mesure aujourd’hui de sauvegarder les données en transit pour les décrypter plus tard quand ils en auront les moyens. Les données dont la durée de vie est supérieure à 10 ans sont donc déjà à risque.
Heureusement, il existe des solutions. L’une d’elles nous vient d’ailleurs des sciences quantiques et consiste à créer des clés de chiffrement à partir de systèmes quantiques. Ainsi, grâce aux règles de la physique quantique, la distribution quantique de clés (QKD) est théoriquement inviolable. Une autre approche consiste à implémenter de façon logicielle des algorithmes mathématiques réputés, jusqu’à preuve du contraire, impossibles à résoudre tant par un ordinateur classique que par un ordinateur quantique. C’est ce qu’on appelle la cryptographie post-quantique (PQC).
Les capteurs quantiques, à quoi ça rime?
Après nos capsules sur l’informatique quantique et la cybersécurité, nous vous proposons une chronique sur leur petit frère oublié, les capteurs quantiques, lesquels peuvent également avoir un impact disruptif sur de nombreuses industries.
En tirant partie de divers phénomènes quantiques, les capteurs quantiques permettent d’atteindre des niveaux de performance inégalés, que ce soit en termes de sensibilité, de précision, de portée ou de stabilité. Ils peuvent ainsi avoir un avantage compétitif important dans des industries où chaque gain en performance compte, comme dans la défense, la recherche médicale, l’énergie, l’aérospatiale, etc.
Des exemples de capteurs quantiques incluent des horloges atomiques ultra stables (technologie derrière le système GPS), des technologies d’imagerie médicale plus précises, des radars ou lidars à longue portée, des capteurs de champ magnétique (magnétomètres) plus sensibles ou encore des capteurs de champ gravitationnel (gravimètres) plus robustes.
Au-delà de leurs avantages technologiques, les capteurs quantiques représentent une opportunité d’investissement intéressante, notamment parce qu’ils peuvent être mis en marché relativement rapidement. En effet, ils adressent un marché déjà existant, lequel est en forte croissance dans le contexte de l’intérêt grandissant autour de l’Internet des objets, la science des données et l’intelligence artificielle. De plus, les capteurs quantiques sont des systèmes généralement plus simples à concevoir et contrôler en comparaison avec d’autres technologies quantiques comme l’ordinateur quantique.
Qu’est-ce que la correction d’erreur quantique?
Les ordinateurs quantiques commettent des erreurs. En effet, les opérations qu’ils effectuent ne sont pas totalement fiables. Ceci s’explique en partie par le fait que les ordinateurs quantiques reposent sur des éléments physiques excessivement petits, instables et sensibles, comme des atomes ou des photons uniques, ce qui les rend difficiles à contrôler. De surcroît, les systèmes que nous utilisons pour contrôler les qubits et réaliser des opérations ne sont pas parfaits. Mais une difficulté supplémentaire vient de la nature même des qubits : tout système quantique a une nature probabiliste. Autrement dit, l’incertitude est inscrite dans leur ADN. C’est une loi de la mécanique quantique.
Mais cela n’est pas nécessairement grave. Les ordinateurs classiques aussi commettaient des erreurs à leurs premiers jours et en commettent encore aujourd’hui d’ailleurs. Seulement, au fil du temps, l’industrie a développé des protocoles excessivement fiables pour détecter et corriger ces erreurs en temps réel de sorte que l’utilisateur n’en est plus conscient aujourd’hui.
Et c’est exactement ce sur quoi la communauté quantique planche en ce moment. La solution existe. C’est ce qu’on appelle les codes de correction d’erreur, par exemple le code de surface ou les codes bosoniques. Certains défis demeurent toutefois pour les mettre en pratique. Notamment, pour que les codes soient efficaces, le niveau de performance des qubits doit encore être amélioré au-delà d’un seuil minimum répondant aux exigences du code.