Lorsque les physiciens ont imaginé pour la première fois les ordinateurs quantiques dans les années 1980, ils ressemblaient à une belle idée théorique, mais probablement destinée à rester sur papier. Puis en 1995, il y a 25 ans ce mois-ci, le mathématicien appliqué Peter Shor a publié un article¹ cela a changé cette perception.

L’article de Shor a montré comment les ordinateurs quantiques pouvaient surmonter un problème crucial. Les machines traiteraient les informations comme des qubits – des versions quantiques de bits ordinaires qui peuvent être simultanément «0» et «1». Mais les états quantiques sont notoirement vulnérables au bruit, ce qui entraîne une perte d’informations. Sa technique de correction d’erreurs – qui détecte les erreurs causées par le bruit – a montré comment rendre les informations quantiques plus robustes.

Shor, qui est maintenant au Massachusetts Institute of Technology à Cambridge et est aussi un poète publié, avait choqué les mondes de la physique et de l’informatique l’année précédente, en découvrant² la première façon potentiellement utile – mais inquiétante – d’utiliser un ordinateur quantique hypothétique. Il avait écrit un algorithme cela permettrait à un ordinateur quantique de factoriser des nombres entiers en facteurs premiers à la vitesse de l’éclair. La plupart du trafic Internet est aujourd’hui sécurisé par des techniques de cryptage basées sur de grands nombres premiers. Cracker ces codes est difficile car les ordinateurs classiques sont lents à factoriser de gros produits.

Les ordinateurs quantiques sont désormais une réalité, bien qu’ils soient encore trop rudimentaires pour factoriser des nombres de plus de deux chiffres. Mais ce n’est qu’une question de temps avant que les ordinateurs quantiques ne menacent le cryptage Internet.

La nature a rencontré Shor pour lui poser des questions sur l’impact de son travail – et sur la direction que prend la sécurité Internet.

Avant votre algorithme d’affacturage, les ordinateurs quantiques étaient-ils principalement une curiosité théorique?

Mon article a certainement donné aux gens l’idée que ces machines pouvaient faire quelque chose d’utile. L’informaticien Daniel Simon, précurseur de mon résultat, a résolu un problème qu’il a proposé et qui montre que les ordinateurs quantiques sont exponentiellement plus rapides. [than ordinary computers]. Mais même après l’algorithme de Simon, il n’était pas clair qu’ils pouvaient faire quelque chose d’utile.

Quelle a été votre réaction à l’annonce de l’algorithme d’affacturage?

Au début, je n’avais qu’un résultat intermédiaire. J’en ai donné une conférence aux Bell Labs [in New Providence, New Jersey, where I was working at the time] un mardi d’avril 1994. La nouvelle s’est propagée incroyablement vite, et ce week-end, l’informaticien Umesh Vazirani m’a appelé. Il a dit: « J’ai entendu dire que vous pouvez factoriser sur un ordinateur quantique, dites-moi comment cela fonctionne. » À ce stade, je n’avais pas vraiment résolu le problème d’affacturage. Je ne sais pas si vous connaissez le «téléphone» du jeu pour enfants, mais d’une manière ou d’une autre, en cinq jours, mon résultat s’est transformé en factoring alors que les gens se racontaient. Et pendant ces cinq jours, j’avais également résolu l’affacturage, donc je pouvais dire à Umesh comment le faire.

Toutes sortes de gens me demandaient mon article avant même que j’aie fini de l’écrire, alors j’ai dû leur envoyer un brouillon incomplet.

Mais de nombreux experts pensaient encore que les ordinateurs quantiques perdraient des informations avant que vous ne puissiez réellement terminer votre calcul?

L’une des objections était qu’en mécanique quantique, si vous mesurez un système, vous le dérangez inévitablement. J’ai montré comment mesurer l’erreur sans mesurer le calcul – et ensuite vous pouvez corriger l’erreur et ne pas détruire le calcul.

Après mon article de 1995 sur la correction d’erreurs,certains des sceptiques étaient convaincus que l’informatique quantique pourrait être faisable.

La correction d’erreur repose sur des qubits «physiques» et «logiques». Quelle est la différence?

Lorsque vous écrivez un algorithme pour un ordinateur quantique, vous supposez que les qubits [the quantum version of a classical bit of information] sont silencieux; ces qubits silencieux qui sont décrits par l’algorithme sont les qubits logiques. Nous n’avons en fait pas de qubits silencieux dans nos ordinateurs quantiques, et en fait, si nous essayons d’exécuter notre algorithme sans aucune sorte de réduction de bruit, une erreur se produira presque inévitablement.

Un qubit physique est l’un des qubits bruyants de notre ordinateur quantique. Pour exécuter notre algorithme sans faire d’erreur, nous devons utiliser les qubits physiques pour encoder des qubits logiques, en utilisant un code de correction d’erreur quantique. La meilleure façon dont nous savons comment faire cela a une surcharge assez importante, nécessitant de nombreux qubits physiques pour chaque qubit logique.

Il est assez compliqué de déterminer combien de qubits supplémentaires sont nécessaires pour la technique. Si vous voulez construire un ordinateur quantique en utilisant le code de surface – le meilleur candidat actuellement – pour chaque qubit logique, vous avez besoin d’environ 100 qubits physiques, peut-être plus.

En 2019, Google a montré que son ordinateur quantique de 54 qubits pouvait résoudre un problème qui prendrait énormément de temps sur un ordinateur classique – le première démonstration d’un «  avantage quantique  ». Quelle a été votre réaction?

C’est définitivement un jalon. Cela montre que les ordinateurs quantiques peuvent faire les choses mieux que les ordinateurs classiques – du moins, pour un problème très artificiel. Il y a certainement eu une certaine publicité de la part de Google. Mais ils ont aussi un ordinateur quantique très impressionnant. Il doit encore être beaucoup mieux avant de pouvoir faire quelque chose d’intéressant. Il y a aussi la startup IonQ. Il semble qu’ils puissent construire un ordinateur quantique qui, dans un certain sens, est meilleur que celui de Google ou d’IBM.

Lorsque les ordinateurs quantiques peuvent factoriser de grands nombres premiers, cela leur permettra de briser le «RSA» – le système de cryptage Internet omniprésent.

Oui, mais les premières personnes qui briseront le RSA seront non plus la NSA [the US National Security Agency] ou une autre grande organisation. Au début, ces ordinateurs seront lents. Si vous avez un ordinateur qui ne peut casser, disons, qu’une clé RSA par heure, tout ce qui n’est pas une priorité élevée ou un risque pour la sécurité nationale ne sera pas cassé. La NSA a des choses beaucoup plus importantes sur lesquelles utiliser son ordinateur quantique que la lecture de vos e-mails – ils liront l’e-mail de l’ambassadeur de Chine.

Existe-t-il des systèmes de cryptographie qui peuvent remplacer RSA et qui seront sécurisés même à l’ère des ordinateurs quantiques – le «cryptage post-quantique»?

Je pense que nous avons des cryptosystèmes post-quantiques avec lesquels vous pourriez remplacer RSA. Le RSA n’est pas le gros problème pour le moment. Le gros problème est qu’il existe d’autres moyens de briser la sécurité Internet, tels que des logiciels mal programmés, des virus, l’envoi d’informations à un joueur pas tout à fait honnête. Je pense que le seul obstacle au remplacement du RSA par un cryptosystème post-quantique sécurisé sera la volonté et le temps de programmation. Je pense que c’est quelque chose que nous savons faire; il n’est tout simplement pas clair que nous le ferons à temps.

Y a-t-il un risque que nous soyons pris au dépourvu?

Oui. Des efforts considérables ont été déployés pour corriger le bogue de l’an 2000. Vous aurez besoin d’énormes efforts pour passer au post-quantique. Si nous attendons trop longtemps, il sera trop tard.

Cette interview a été éditée pour des raisons de longueur et de clarté.