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Grâce à une puce optoélectronique quantique, des chercheurs sont parvenus à calculer les facteurs premiers du nombre 15. Une étape décisive.
Des chercheurs de l’université de Bristol, au Royaume-Uni, ont réalisé un prototype de puce optoélectronique quantique qui leur a permis pour la première fois d’effectuer un calcul mathématique. L’appareil est constitué de minuscules guides d’ondes en silice placés sur une puce de silicium et il exécute l’algorithme de Shor, un algorithme mathématique conçu spécifiquement pour exploiter les propriétés du calcul quantique et factoriser ainsi en nombres premiers. Ce résultat constitue, selon l’équipe, un pas important vers la mise au point de véritables ordinateurs quantiques utilisables. Les chercheurs se sont servis de leur puce pour calculer les facteurs premiers du nombre 15, soit 3 et 5. Ce genre de décomposition en facteurs premiers constitue une partie essentielle des processus de codage modernes, tels ceux qui assurent la sécurité des communications sur la Toile.

Les ordinateurs classiques stockent et traitent l’information sous forme de bits, une unité d’information qui ne peut avoir qu’un des deux états 0 ou 1. Un ordinateur quantique, en revanche, exploite le principe de la superposition d’états, c’est-à-dire le fait que les particules quantiques peuvent coexister dans deux états ou plus en même temps. Un tel ordinateur serait en principe plus performant qu’un ordinateur classique pour bien des tâches, mais sa réalisation pratique pose de gros problèmes car les bits quantiques – les qubits – sont fragiles et donc difficiles à transmettre, à stocker et à traiter. Les photons sont des qubits très appréciés, car ils peuvent parcourir de grandes distances à travers des fibres optiques ou dans l’air sans perdre pour autant leur nature quantique. En effet, en dehors de conditions spécifiques, les photons n’interagissent pas entre eux. L’inconvénient de cette propriété, cependant, est qu’elle rend délicate la construction d’appareils de traitement de l’information quantique – les portes logiques, par exemple –, parce que le principe même de ceux-ci consiste a priori en l’interaction d’au moins deux photons.

En 2003, Jeremy O’Brien et ses collègues de l’université du Queensland, en Australie, avaient surmonté ce problème en le contournant et en construisant la première porte logique contrôlée (CNOT) à photon unique. Une telle porte CNOT possède deux entrées – “cible” et “contrôle” – et constitue un composant élémentaire fondamental pour parvenir à l’ordinateur quantique. Cette première porte avait cependant été réalisée à partir de composants optiques traditionnels, des miroirs et des séparateurs de faisceau optique, entre autres, et occupait toute une table de laboratoire. L’appareil nouvelle version, mis au point en 2008 à Bristol, est composé de plusieurs centaines de portes CNOT tenant sur une pièce de silicium de 1 millimètre de côté seulement. Au lieu de miroirs et de séparateurs de faisceau optique, il utilise des guides d’ondes couplés – des canaux de silice transparents larges de 1 micron, que l’on fixe sur un substrat de silicium grâce à des procédés industriels classiques. L’équipe de Bristol a franchi une étape supplémentaire en effectuant son premier calcul mathématique avec cet appareil de dernière génération.

Dans cette expérience, quatre photons sont passés par les guides d’ondes, et des structures appelées portes H ont préparé ces qubits en une superposition de 0 et de 1 de sorte que l’état de l’ensemble des quatre photons est lui-même devenu une superposition de toutes ces entrées à quatre bits. Le calcul a ensuite été effectué par deux autres portes, créant un état de sortie hautement intriqué. Les résultats du calcul ont été obtenus en mesurant l’état de sortie des deux premiers qubits. L’opération a reposé sur l’algorithme de Shor, inventé par le mathématicien Peter Shor en 1994. Celui-ci pensait que les ordinateurs quantiques pourraient factoriser les nombres à un rythme exponentiellement plus rapide que les machines classiques. “Ce qui est vraiment excitant à propos de ce résultat, c’est qu’on pourra désormais développer de gros circuits quantiques, ce qui ouvre la voie à toutes sortes de possibilités”, assure Jeremy O’Brien. Une étape cruciale de l’élaboration du futur ordinateur quantique a donc été franchie.