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Edito : L'ordinateur quantique va révolutionner l'informatique

En 1965, Gordon Moore établit sa fameuse "loi" qui prévoyait, en électronique, un doublement du nombre de composants élémentaires -en l'occurrence de transistors- par puce tous les deux ans. En 1971, le premier microprocesseur comptait environ 2000 transistors ; 40 ans plus tard, les puces les plus élaborées intègrent deux milliards de transistors ! En 40 ans, la puissance de calcul d'une puce a donc été multipliée par plus d'un million ! Une telle avancée technologique en si peu de temps est tout simplement sans précédent dans l'histoire de l'Humanité et nous a fait basculer en seulement deux générations, avec la généralisation de l'informatique personnelle puis de l'Internet, dans la société de l'information.

Cette plongée vertigineuse vers l'infiniment petit se poursuit et les processeurs Ivy Bridge 22 nm d’Intel sont annoncés pour le printemps 2012, mais les ingénieurs d'Intel préparent déjà les prochaines générations de puces gravées à 14 nanomètres, vers 2014 puis à 10 nanomètres (soit environ 40 atomes), vers 2017. En 2007, Gordon Moore annonça que sa loi de doublement du nombre de transistors dans une puce tous les deux ans cesserait de s'appliquer à l'horizon 2020 car la miniaturisation électronique se heurterait alors aux lois de la physique. En effet, en dessous de 10 nanomètres, les transistors ne comportent plus que quelques atomes et leur comportement se met à obéir aux lois étranges de la physique quantique.

Mais aujourd'hui, chercheurs et ingénieurs, au lieu de considérer ces lois comme un obstacle infranchissable, essayent de les utiliser à leur profit pour faire entrer l'informatique dans une nouvelle ère.

C'est ainsi que, depuis 2005, les physiciens et ingénieurs du monde entier cherchent à concevoir des nanocomposants à base de nanotubes de carbone pouvant se substituer aux actuels transistors et circuits imprimés. Mais plus fondamentalement encore, les chercheurs tentent d'utiliser les lois quantiques pour s'affranchir du mode de calcul binaire sur lequel repose l'informatique depuis son invention, dans les années 1940.

Il y a quelques semaines, une équipe internationale de chercheurs de l'Université de Sherbrooke (Canada) a mis au point un dispositif semi-conducteur pouvant être utilisé par un ordinateur quantique. Ce dispositif repose sur une double boîte quantique emprisonnant deux électrons, dont l'orientation des spins — une propriété magnétique fondamentale — peut être contrôlée par un microaimant.

Pour réaliser un ordinateur quantique, tout le défi consiste à effectuer les calculs avant que cette superposition d'états soit perdue et ne devienne "décohérente" en interagissant avec la matière environnante. Pour garder pendant un temps suffisant l'état de cohérence quantique, les chercheurs jouent sur deux tableaux à la fois : d'une part, ils essayent de diminuer d'un facteur 100 le temps nécessaire pour manipuler le spin d'un électron en modifiant la géométrie des microaimants. D'autre part, les physiciens cherchent à augmenter le temps de cohérence en utilisant de nouveaux matériaux très purs.

Il y a un mois, une autre équipe de recherche a montré qu’il était possible de produire des états quantiques d'intrication avec deux diamants macroscopiques distants de 15 cm. Les expériences réalisées ont montré qu'il y avait bien intrication des photons dans les deux diamants. Mais le plus intéressant dans cette découverte, c'est que cet état quantique a été obtenu à température ambiante, grâce aux propriétés physiques remarquables du diamant.

Enfin, il y a quelques semaines, des physiciens de l'Institut national américain des normes et de la technologie (NIST) sont parvenus pour la première fois à intriquer deux ions (atomes porteurs de charges électriques) en utilisant des micro-ondes à la place des faisceaux lasers habituels, fragiles et encombrants. Dietrich Leibfried qui a dirigé ces recherches, précise "qu'il est concevable que des ordinateurs quantiques de taille modeste puissent ressembler à un téléphone intelligent combiné à un objet semblable à un stylo pointeur laser, alors que des machines sophistiquées pourraient avoir une taille comparable à un PC de bureau».

En matière de composants quantiques les recherches vont également bon train et visent à remplacer, d'ici la fin de cette décennie, le transistor classique « à effet de champ» qui requiert une tension électrique relativement importante pour activer le transistor.

La technologie tunnel-FET en cours de mise au point utilise de manière remarquable un principe quantique étrange : "l'effet tunnel" qui permet à certains électrons très peu énergétiques de déclencher l'activation d'un transistor, ce qui viole la physique classique. Jusqu'à présent, cet effet quantique, bien connu des physiciens, venait perturber le fonctionnement des transistors mais, grâce aux progrès réalisés dans le domaine des matériaux, on envisage à présent de substituer purement et simplement le transistor à effet tunnel au transistor classique à effet de champ.

Cette rupture technologique devrait permettre de concevoir des puces bien plus puissantes consommant 100 fois moins d'énergie qu'aujourd'hui. Il serait alors possible de disposer d'appareils numériques d'une puissance inconcevable à l'heure actuelle et d'une autonomie de plusieurs semaines, voire plusieurs mois ! Mais la véritable révolution viendra de la puissance de calcul phénoménale des futurs superordinateurs quantiques. En effet, dans un ordinateur classique, la valeur d'un bit est soit 1, soit 0. En revanche, un "Qbit" peut prendre simultanément les deux valeurs, ce qui permet d'effectuer des calculs en parallèle.

Les futurs ordinateurs quantiques auront une telle puissance de calcul qu'ils pourront réaliser en quelques secondes des simulations numériques qui demandent aujourd'hui des semaines ou des mois de travail aux meilleurs superordinateurs. Dans le domaine de la biologie par exemple, ces machines quantiques pourront simuler le comportement des interactions moléculaires ou cellulaires les plus complexes. Il deviendra alors possible de concevoir très rapidement des molécules thérapeutiques et des nouveaux médicaments.

Dans le domaine géophysique et climatique, des simulations qui prennent aujourd'hui des semaines se feront également en quelques secondes, ce qui fera franchir une nouvelle étape décisive à la prévision météorologique et rendra peut-être enfin possible la prévision fiable des tremblements de terre. Enfin, plus concrètement, cette électronique et cette informatique quantiques se dissémineront dans tous nos objets quotidiens, qui deviendront non seulement capables d'interagir entre eux, mais surtout de s'adapter automatiquement à nos besoins et à notre état. On peut ainsi imaginer que chacun de nos vêtements intégrera une puissance informatique suffisante pour contrôler en permanence nos paramètres biologiques et nous alerter en cas d'anomalies ou de problèmes de santé.

Près d'un siècle après sa formulation théorique dans les années 1920, la physique quantique, longtemps considérée comme une bizarrerie totalement abstraite, est donc en train de provoquer une révolution technologique majeure. Cette rupture montre à quel point il est important de ne pas tout miser sur la recherche appliquée, à court terme, et de savoir investir à très long terme dans des projets et programmes de recherche fondamentaux, sans retombées immédiates. Si l'Europe veut continuer à exister comme acteur économique et politique mondial, il est vital, face aux nouveaux géants qui émergent -Chine, Inde, Brésil-, qu'elle soit capable, en cette période de crise financière et de restrictions budgétaires, de préparer l'avenir en gardant une recherche fondamentale de premier ordre.

René TRÉGOUËT

Sénateur Honoraire

Fondateur du Groupe de Prospective du Sénat

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  • Tesseire Jacques

    29/01/2012

    Resterait à faire que les applications informatiques surveillent les errances de l'arrogance humaine...! Entre autres, celles des marchés financiers statiques qui ne marchent plus..., des paroles de politiciens pas tenus..., des choix de société et de santé bâclés socialement à tous niveaux...! Via des monceaux d'analyses et de contrôles des prises de décision, en interactivité constante.

    Les réseaux de traitement de données de surveillance mondiale des abus, associées, maillé à des réseaux innombrables de capteurs nanométriques surveillant 'cop-pieuse-ment' le PIS FAIT (pas que pour la traite des vaches...). Pour surtout transformer les magouilles inadmissibles des banques et du marché financier vers des gestions mutualistes participatives des sociétaire (genre Banque MACIF) à dépôts paisibles à long terme..., pour que toute industrie ne soit plus polluante et rackettée au PIRE !
    Là on pourra parler de clarté de gestion mondiale..., et pas avant !

    J.'Teste-Sert'
    Ingénierie, puis gestionnaire de données de performances et de know-how chez Lafarge jusqu'en 1991

  • Faf

    9/01/2014

    Le premier microprocesseur comptait environ 2000 transistors ; 40 ans plus tard, les puces les plus élaborées intègrent deux milliards de transistors ! En 40 ans, la puissance de calcul d'une puce a __donc__ été multipliée par plus d'un million !

    A bon?! Jolie conclusion scientifique... Ça donne vraiment envie de lire la suite!

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