Le plan quantique et la nouvelle révolution informatique

Le plan quantique et la nouvelle révolution informatique

Des ordinateurs 100 millions de fois plus puissants que les plus puissants super-calculateurs actuels ? C’est la promesse de l’informatique quantique, et ça tombe bien, Macron annonce un plan de 1,8 milliards d’euros pour que la France reste dans la course face à cette révolution majeure à laquelle personne ne comprend rien.

Le plateau de Saclay, c’est la version française de la grande université multipôles sur le modèle Américain, mélangeant les acteurs institutionnels, les écoles d’excellence, les grand centres de recherches. Le tout en cherchant l’hybridation avec des acteurs privés dans l’innovation. Un patchwork récent en France, placé en fer de lance de l’innovation nationale, qui ne fait pas toujours l’unanimité. Visuellement, Saclay est un désastre architectural bétonné, qui souffre d’un cruel manque de goût comparé à ses modèles outre-atlantique aux cadres d’étude idylliques. Mais sous les apparences, ce qui se passe derrière les murs amène son lot de fierté à une université de celles à la pointe de recherches d’avenir dans des disciplines telles que l’informatique quantique. C’est tout naturellement en ce lieu qu’Emmanuel Macron est venu motiver les troupes de brillants chercheurs, doctorants, créateurs de startups de technologies de pointe, réunis autour de la nouvelle grande révolution informatique. Il y a dégainé son plan quantique, promettant 1,8 milliards d’euros sur 5 ans. L’ambition de doter la France de la « clé pour être au moins parmi les trois premiers mondiaux », sans exclure. « une ambition plus forte» 

Il est de même revenu sur les ambitions de ce nouveau modèle universitaire attractif à l’image de Saclay, essentiel pour rester dans la course face au monde. Ainsi “Il faut faire de ce qui étaient les caractéristiques du modèle français une chance, mais en quelque sorte en l’hybridant, (…) avec des modèles étrangers dont il nous faut tirer ce qu’il y a de meilleur. Mais il nous faut aller vite sur cette bataille parce que si nous la perdons, si nous tardons, le risque, c’est de perdre des talents qui iront vers d’autres écosystèmes. » Et pas question d’en perdre sur ce dont nous parlons ici, car derrière les gros chiffres, il s’agit d’un investissement essentiel qui semble faire l’unanimité.

 Qui est-il, ce monsieur Quantique ?

Comme toute invention révolutionnaire l’ordinateur quantique reste incompris par le grand public tout en étant victime d’annonces sensationnelles dans les médias. On entend parler de puissances démesurées, de « suprématie quantique » de la fin de nos systèmes de cryptographie. C’est un peu plus compliqué, voir brouillé par le marketing nécéssaire aux financement de la recherche. Mais une chose est certaine, il profile un changement de paradigme révolutionnaire dans l’histoire de l’humanité et dans la façon dont il nous aidera à comprendre notre monde.

L’ordinateur traditionnel calcule à partir de 0 et de 1, c’est les bits. L’ordinateur quantique permet littéralement d’avoir les deux états en même temps, d’être à la fois 0 et 1 c’est les fameux qubit. Ce petit changement lui permet de gagner des puissances démesurées puis qu’il effectue simultanément deux calculs en même temps et pourrait réaliser théoriquement en quelques minutes ce qu’un ordinateur traditionnel effectuerait en 10 000 ans. Un exemple typique de grand chiffres à remettre en perspective avec nos véritables avancées actuelles en la matière. En effet nous n’avons pas fini d’apprendre comment dompter ces nouvelles machines. Aucun ordinateur quantique à ce jour n’est une machine généraliste capable d’ingérer n’importe quel programme. Elles sont souvent spécialisées pour effectuer des calculs précis néanmoins inaccessible aux machines traditionnels en termes d’efficacité. Une autre limite est qu’ils se montrent encore particulièrement instable et parfois incapables de terminer totalement leur opération du fait de l’instabilité des éléments que l’on tente de maîtriser. Ils nécessitent par ailleurs de lourdes infrastructures, pour certains type d’ordinateurs quantique, la stabilité de leurs éléments dépend de températures extrêmement basses obtenues par la cryogénie. Un peu comme un retour aux systèmes encombrants des années 70, pour une révolution informatique qui n’a pas d’égal en terme de puissance.

La puissance de calcul qu’un ordinateur quantique peut théoriquement atteindre, révolutionnera les modèles de simulation scientifique. Avec une capacité à simuler les interactions des molécules par exemple. On peut imaginer des révolution dans l’invention de nouveaux médicaments, pour la recherche de nouveaux matériaux futuristes. Des simulations qui permettront de comprendre le fonctionnement approfondie de la biologie, de nos cerveaux. Ce sont aussi des systèmes qui seront capables concevoir de nouveaux systèmes de cryptographie totalement impénétrables pour les ordinateurs traditionnels. Mais contrairement à ce qu’on entend, rien ne dit qu’ils pourront briser tous les systèmes de sécurité traditionnels dans les prochaines années.

Du processeur traditionnel au processeur quantique

Qu’ils s’agisse de la vitre tactile dans votre main, de votre ordinateur portable, ou des immenses supercalculateurs scientifiques, tous ont en leur sein un puissant microprocesseur. Les grands super-calculateurs scientifiques en disposent de plusieurs milliers.

Un microprocesseur traditionnel c’est une puce en silicium constituée de milliards de transistors gravés à une échelle nanoscopique. On en trouve entre 1 et 25 milliards dans les produits grand public actuels et des centaines de milliers rien que dans la puce d’une carte bleue.

Les transistors ce sont des robinets qui laissent passer le courant ou non si on les active électriquement. Cela en exploitant les propriétés semi-conductrices du silicium.

Visuellement un processeur c’est d’immenses réseaux autoroutiers métalliques, souvent plus petits qu’un virus, superposés sur des centaines d’étages. Ils transportent les électrons de portes en logiques en portes logiques. Celles-ci sont constituées de combinaisons de transistors de quelques nanomètres, enfouis dans la couche la plus profonde du silicium. Combinés, ils effectuent des opérations dites binaires.  En gros un processeur stocke, déplace, additionne, multiplie, transforme des 0 et des 1. Nous comptons en base 10 : 1,2,3,4,5etc. le processeur compte en base 2 : 001, 010, 011, 100, 101 etc.

Ce pour la simple et bonne raison qu’il ne peut comprendre qu’une seule chose dans sa vie insouciante d’ordinateur : Le flux électrique est positif ? Oui = 1, Non = 0. C’est qu’on appelle la logique Booléene.

Les plafonds d’une technologie

Les plus gros super-calculateurs actuels sont contraints aux limites des milliers processeurs qu’ils ont en leur sein, et l’évolution exponentielle des technologies de calcul conventionnels s’y heurtent.

La première est celle des limites de la miniaturisation. Les ordinateurs tels qu’on les a pensés se heurtent à un plafond en terme de finesse de gravure. Dans les années, 70 Gordon Moore, un ingénieur de l’équipe d’Intel -à qui nous devons le premier microprocesseur officiel-, a théorisé que le nombre de transistors sur les puces doublerait tous les 2 ans. Une prophétie auto-réalisatrice qui a guidé 40 ans de révolution informatiques. Passant de 1400 transistors en 1976, à 50 milliards à ce jour. Rien que ça. On annonce régulièrement la fin de cette loi mais on continue d’en repousser ses limites. Il y a encore quelques années le plafond annoncé de la finesse de gravure était annoncé un peu en dessous de 10nm, mais nous en sommes à 5nm, et le fondeur TSMC parle d’atteindre les 2nm. À titre de comparaison la taille d’un atome est aux alentours de 0,1 nm -bien qu’il n’ait théoriquement pas de taille-. À cette finesse les interactions des électrons se heurtent aux lois de la physique quantique, une science que l’on exploite d’ores et déjà pour repousser les limites de la gravure mais qui ne nous permettra pas de miniaturiser indéfiniment nos circuits.

Le second frein c’est la fréquence. Le nombre de fois qu’un ordinateur effectue ses opérations à chaque seconde s’exprime en Hertz. Une petite horloge au sein du circuit bat la mesure, telle une cheffe d’orchestre. Si elle bat à 1 hertz, l’ordinateur effectue 1 opération par seconde. Si elle bat à 3,6Ghz comme dans un ordinateur actuel, le processeur peut effectuer 3 600 000 000 d’opérations par seconde.

Le problème c’est qu’à force d’augmenter cette fréquence de calcul pour monter en puissance, on s’est rendus compte que nos petites puces chauffaient trop, qui plus est, consommaient énormément, une première limite physique. 

Les concepteurs de processeurs se sont retrouvés bloqués à des fréquences peinant à dépasser 5Ghz constant, au risque de causer, au delà, de sérieux problèmes thermiques voir même des instabilités électriques et logiques au sein des puces. La solution trouvée a été d’arrêter de monter la fréquence en flèche et de plutôt dupliquer le processeur au sein de la même puce pour faire les calculs en parallèle, plutôt que très vite. C’est ce qui s’appelle un cœur. Un processeurs 8 coeurs, c’est 8 processeurs au sein d’une même puce qui effectuent des calculs en parallèle. Ce choix de conception c’est le parallélisme, mais même en repoussant les limites de la loi de Moore. Empiler les coeurs, ne permettra jamais d’atteindre les puissances promise par le nouvel entrant dans la façon de penser le calcul.

L’ordinateur quantique

On sait donc manier à merveille des flux d’électrons avec des autoroutes et des robinets à échelle nano-scopique pour les transformer en video YouTube. Mais l’humanité ne peut se contenter d’un schéma aussi simple et nous avons théorisé un concept bien plus complexe à appréhender. Une nouvelle façon de calculer qui ferait sauter toutes les limites.

L’idée de l’informatique quantique c’est d’exploiter directement les états de la matière, de jouer aux billes avec des atomes. C’est littéralement exploiter les interactions de la physique quantique pour effectuer des calculs. Calculer en domptant l’univers ?

La compréhension globale d’un ordinateur traditionnel peut être appréhendée en quelques heures dans les grandes lignes. Celle d’un processeur quantique fait appel à des notions de physique quantique qui ne sont pas des plus accessibles, faisant de sa vulgarisation un exercice beaucoup plus complexe sans un minimum de notion en mathématiques. Travailler sur les ordinateurs quantique c’est jouer avec les briques les plus élémentaires de la matière. C’est un concept qui exploite ce que l’on appelle l’intrication quantique.

Ce n’est pas ce qu’il y a de plus stable ni de plus simple à dompter. Et certains chercheurs n’ont aucune honte à dire qu’ils n’ont toujours pas compris la totalité de ce qu’ils font, même après avoir révolutionné leur domaine.

Le revers de la médaille c’est que l’on ne sait pas encore faire un ordinateur quantique généraliste, capable de faire fonctionner n’importe quel programme, on sait en revanche atteindre des puissances théoriques dédiées à certaines formes de calculs. On sait aussi simuler grossièrement un ordinateur quantique sur ordinateur traditionnel pour aider à développer des programmes optimisés pour ces nouvelles règles.

Les nouveaux pionniers

Pour comprendre la révolution qui a lieu dans l’ombre de centres de recherche, on peut sans crainte la comparer à celle de l’informatique électronique qui avait lieu dans les université américaines à la fin de la seconde guerre mondiale. Lorsque l’on commençait à maîtriser les ordinateurs traditionnels, à l’aide de milliers de lampes remplissant les armoires. C’est de ces travaux des années 50 qu’ont découlé tous les fondements de l’histoire informatique.

Aujourd’hui la France investit pour que nous ayons nos pionniers du quantique, une révolution largement comparable par les retombées qu’elle aura sur l’humanité. Pour tout ce qu’il y aura de meilleur et de pire. Il est essentiel pour une puissance de conserver une avance dans un domaine regroupant autant d’enjeux, et de rester maître de l’innovation. On pourra révolutionner la médecine tout en ayant la capacité de penser de nouvelles armes dévastatrices exploitant ces nouvelles compréhension des interactions de la matière, fascinant et effrayant. Conserver de l’avance dans l’informatique quantique c’est aussi rester une puissance mondiale.

Le plan quantique en résumé

Le plan quantique c’est un engagement public-privé de 1,8 milliards d’euros sur cinq ans « dont un milliard d’euros venant directement de l’Etat » pour citer Emmanuel Macron. L’enveloppe compte 1,05 milliard d’euros de fonds publics, distribués à travers les instituts de recherche tel que l’Inria, le CNRS et le CEA. Ainsi que 200 millions d’euros de crédits européens et 550 millions d’euros de prévisions du secteur privé.

Le plan prévoit de consacrer une enveloppe de près de 800 millions d’euros aux développement des ordinateurs quantique. En détail, 350 millions d’euros aux simulateurs et machines partiellement quantiques, permettant de travailler les algorithmes, clé de voûte pour dompter les machines et 430 millions d’euros consacrés au développement matériel des ordinateurs quantiques. Les autres enveloppes seront consacrées aux capteurs (250 millions d’euros), à la cryptographie post-quantique, 150 millions d’euros, qui promet d’être inviolable et 320 millions pour les communications quantiques. L’enveloppe comprend aussi des fonds dédiés aux technologies annexes qui permettent de construire les équipements quantiques comme la cryogénie qui bénéficie de 300 millions d’euros.

Le plan finance une centaine de bourses de thèse et une cinquantaine de contrats post-doctoraux afin d’’attirer des chercheurs talentueux et d’éviter les fuites de cerveaux « Nous avons besoin de garder nos talents, et de garder aussi certaines technologies pour ne pas dépendre en particulier des deux grandes puissances internationales -Chine et USA- qui nous concurrencent.

La France pourrait avoir sa chance de devenir « le premier Etat à se doter d’un prototype complet d’ordinateur quantique généraliste », ce qui serait « un exploit scientifique majeur », commentait Emmanuel Macron.

ParBlonde,
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