LA COURSE QUANTIQUE: DE LA MILITARISATION À LA CAPITALISATION D’INTERNET

Source La carrière quantique: du militarisme à la privatisation d’Internet • Communia  Traduction:

 

 

Prototype d’ordinateur quantique à base de lumière à Jiuzhang, Chine. Avec cet ordinateur, la Chine a pris l’avantage dans la course quantique.
Prototype d’ordinateur quantique à base de lumière à Jiuzhang, Chine. Avec cet ordinateur, la Chine a pris l’avantage dans la course quantique.

 

La Chine prend la tête face aux États-Unis dans la course quantique. La semaine dernière, il a annoncé avoir dépassé l’ordinateur quantique le plus avancé de Google. Pendant ce temps, IBM a commencé à installer en Allemagne un grand projet de développement d’ordinateurs quantiques annoncé par battage médiatique et par le gouvernement allemand,  qui garantit qu’il générera 75 milliards d’euros de « valeur ». Le conflit impérialiste se joue dans plusieurs camps à la fois. Les technologies de l’information et en particulier l’informatique quantique sont parmi les principales.

 

Table des matières

Carrière quantique : une nouvelle version de la course à l’espace ?

La Chine a pris l’avantage de la course quantique en communiquant le satellite Mozi avec une station au sol dans la province du Hubei
La Chine a pris l’avantage de la course quantique en communiquant le satellite Mozi avec une station au sol dans la province du Hubei

 

Un des premiers aspects que les médias mettent en évidence sur cette course technologique entre puissances est sa similitude avec la course à l’espace de la guerre froide:

Les tensions entre les États-Unis et la Chine sont actuellement à leur plus haut niveau depuis des décennies, les pays étant en conflit sur le commerce, les droits de l’homme, les préoccupations liées à l’espionnage, la COVID et Taïwan. À la suite de la démonstration du satellite Mozi [墨] par la Chine en 2017, les politiciens américains ont réagi en consacrant des centaines de millions de dollars à la science de l’information quantique par le biais de l’Initiative nationale quantique. C’était un déjà-vu troublant. Une soixantaine d’années plus tôt, les États-Unis avaient été poussés à financer une autre initiative de grande envergure – l’exploration spatiale – par crainte d’un petit satellite soviétique appelé Spoutnik.

 

Et les projets d’informatique quantique et les plans spatiaux – dont ils ont tenté de chasser la Suisse, le Royaume-Uni et Israël récemment -ne sont pas vraiment dirigés pour l’UE, et aux États-Unis ce sont les techniciens de la NASA qui dirigent la course quantique. Mais qu’y a-t-il de spécial dans l’informatique quantique pour intéresser tant de puissances mondiales et déplacer tant d’investissements? Tout est basé sur les caractéristiques quelque peu bizarres de la matière à une échelle incroyablement petite.

 

Une introduction de base

Core de l’ordinateur quantique de Google. Les États-Unis sont à la traîne dans la course quantique.
Core de l’ordinateur quantique de Google. Les États-Unis sont à la traîne dans la course quantique.

 

Sur un ordinateur numérique classique, les opérations logiques sont basées sur des états binaires: 0 ou 1 et, à première vue, c’est également le cas dans les systèmes de particules utilisés par un ordinateur quantique.

Un électron, par exemple, peut être trouvé lorsqu’il est mesuré dans 2 états possibles, appelés spin up (ou up) ou down (ou down). C’est ainsi qu’ils se retrouvent à entourer le noyau des atomes, chaque orbite composée de paires d’électrons de spin opposé.

Cependant, les résultats expérimentaux ne correspondaient pas à cette explication tirée du monde microscopique. Bien que les particules soient toujours de spin vers le haut ou vers le bas au moment de la mesure, en dehors de ce moment leur comportement est plus comme un mélange des deux états extrêmes, ce qu’on appelle un chevauchement.

Une des façons possibles de représenter ce puzzle consistait à mettre de côté les méthodes mathématiques de la mécanique classique et à adopter comme représentation les systèmes de vecteurs et de géométries spéciales.

Une représentation géométrique simple est généralement utilisée pour expliquer les phénomènes quantiques et les opérations des ordinateurs quantiques. Les deux états mutuellement excluants sont représentés aux pôles opposés d’un cercle de rayon 1 et leur chevauchement est représenté comme un point quelconque dans cette circonférence (figure A dans le graphique ci-dessous).

Ainsi, n’importe quel point peut être représenté comme la combinaison (vectorielle) des deux états multipliée par un coefficient chacun (dans le cas d’un système quantique, ces coefficients représentent la probabilité que, lorsqu’ils sont mesurés, le système se trouve en spin vers le haut ou vers le bas). Une conséquence apparaît immédiatement, et est l’un des principaux avantages de l’informatique quantique: il y a infiniment de points dans la circonférence et le système pourrait faire d’immenses calculs en parallèle à travers la superposition.

En réalité, les états quantiques ne peuvent pas être représentés en utilisant la géométrie normale – euclidienne – de toute une vie, et une extension spéciale de la géométrie qui implique de changer notre cercle pour une sphère, la sphère de Bloch, doit être utilisée. La sphère fonctionne de la même façon que le cercle, et les états quantiques sont représentés comme des points à sa surface.

Ainsi, les états qui se chevauchent,  des particules manipulant les ordinateurs quantiques sont représentés graphiquement comme des vecteurs pointant vers des points sur une sphère, et toutes les portes logiques utilisées par les ordinateurs sont basées sur des changements de l’état de superposition qui équivalent à des transferts de ces points sur la sphère (comme on peut le voir à la figure 1 – C).

 

Figure 1: a) gauche: représentation des deux états mutuellement excluant une particule lorsqu’elle est mesurée (spin par exemple) comme vecteurs antiparaleux. Droite: chevauchement des deux états (combinaison des deux vecteurs donnant des points intermédiaires dans la circonférence). b) Sphère de Bloch, situation équivalente à celle du cercle, mais avec deux angles. c) Résultat expérimental montrant le « mouvement » des États sur la sphère en appliquant plusieurs portes logiques. Image c) adapacé de https://link.springer.com/article/10.1007/s40509-019-00198-2/
Figure 1: a) gauche: représentation des deux états mutuellement excluant une particule lorsqu’elle est mesurée (spin par exemple) comme vecteurs antiparaleux. Droite: chevauchement des deux états (combinaison des deux vecteurs donnant des points intermédiaires dans la circonférence). b) Sphère de Bloch, situation équivalente à celle du cercle, mais avec deux angles. c) Résultat expérimental montrant le « mouvement » des États sur la sphère en appliquant plusieurs portes logiques. Image c) adapacé de https://link.springer.com/article/10.1007/s40509-019-00198-2/

Cryptographie et carrière quantique

L’UE ne veut pas être exclue de la course quantique. Sur la photo, présentation du programme de recherche stratégique lié aux fonds européens pour la recherche quantique.
L’UE ne veut pas être exclue de la course quantique. Sur la photo, présentation du programme de recherche stratégique lié aux fonds européens pour la recherche quantique.

 

A quoi sert tout ce développement théorique? L’une des applications quantiques qui intéressent le plus les militaires de la carrière quantique peut être expliquée par ce que nous avons déjà exposé.

Une paire d’états (vecteurs) suffit pour produire tous les points du cercle et cette paire est appelée base. Dans les particules utilisées pour envoyer des signaux, comme les photons, un certain nombre de bases différentes peuvent être utilisées pour coder le signal en superposant les états lors de son envoi. L’important est que pour pouvoir lire correctement une particule envoyée comme signal à un récepteur, il faut savoir sur quelle base l’information a été codée, mais on finit par obtenir un résultat complètement aléatoire.

Sur ce même principe repose une série de protocoles de cryptage quantique célèbres qui permet d’envoyer des informations entre deux agents, le premier agent cryptant les signaux à l’aide de bases aléatoires et seulement après réception par le récepteur de tous les photons lui communiquant une partie des bases utilisées.

Dans ces protocoles, toute interférence ou écoute est immédiatement détectée et impossible à cacher. Tout espion a besoin d’interagir avec les particules de la ligne pour pouvoir écouter la conversation, mais ce faisant, le chevauchement des états disparaît et – ne connaissant pas à l’avance la base sur laquelle chacun a été chiffré – détourne nécessairement les résultats attendus par le récepteur s’il n’y avait personne qui écoute.

Le premier objectif des groupes de recherche dans la carrière quantique est la cryptographie : effectuer des communications à l’épreuve des systèmes d’interception et de cryptage du rival.

 

Comment construire un ordinateur quantique?

L’utilité – du moins pour les militaires – de la course quantique est claire. Et tout passe par la création d’un système de manipulation des états quantiques des particules. Mais la façon de construire un appareil capable de le faire est une autre question.

Les ordinateurs classiques ne manipulent pas les électrons individuels et il est extrêmement compliqué de le faire avec les ordinateurs quantiques. Il conviendrait de pouvoir avoir une mégaparticule facilement manipulable et stable sur un circuit pour jouer avec elle par un tour physique. C’est exactement ce que font plusieurs des ordinateurs quantiques les plus puissants comme ceux d’IBM.

Nous avons dit tout à l’heure que les électrons ne supportent pas de se trouver en groupes de plus de deux pour le même niveau d’énergie, comme lorsqu’ils forment les orbites ordonnées des atomes ou se déplacent librement sous forme de nuage désordonné. En réalité, cela n’est vrai qu’à moitié.

Si nous abaissons brutalement la température à des valeurs proches de 0 absolues, les électrons libres qui circulent sur un métal changent complètement de comportement, se rassemblent tous au même niveau d’énergie et commencent à se comporter comme une immense mégaparticule dans ce qu’on appelle la supraconductivité.

En utilisant les mêmes outils que ceux utilisés pour les puces de silicium et de microimprimant soigneusement les ponts et les intersections (voir figure 2 a,b), on peut construire un système quantique qui est l’équivalent d’un système à électron unique mais à une échelle beaucoup plus grande et manipulable.

 

Figure 2. a) Ordinateur quantique sino-japonais avec qubits de supraconductivité. Les qubits ne sont pas les cercles gris, mais les petites croix oranges aux intersections. Chaque qubit est interconnecté avec ses voisins par des résonateurs afin qu’ils puissent faire des interférences et des entraitements entre eux. b) Schéma d’une unité avec 4 qubits. c) les deux états de base du qubit. A et b adapatés de https://science.sciencemag.org/content/372/6545/948, c de https://sambader.net/wp-content/uploads/2013/12/Transmon_Paper.pdf
Figure 2. a) Ordinateur quantique sino-japonais avec qubits de supraconductivité. Les qubits ne sont pas les cercles gris, mais les petites croix oranges aux intersections. Chaque qubit est interconnecté avec ses voisins par des résonateurs afin qu’ils puissent faire des interférences et des  traitements entre eux. b) Schéma d’une unité avec 4 qubits. c) les deux états de base du qubit. A et b adapatés de https://science.sciencemag.org/content/372/6545/948, c de https://sambader.net/wp-content/uploads/2013/12/Transmon_Paper.pdf

 

Ces qubits (bits quantiques) possèdent deux états quantiques qui peuvent se chevaucher comme ceux d’un électron grâce aux impulsions micro-ondes envoyées par les portes logiques (XYZ dans la figure, se réfèrent à des rotations autour des axes de la sphère de Bloch).

Mais la véritable puissance d’un ordinateur quantique n’est pas basée sur la capacité d’un qubit individuel. Oui, il est vrai qu’un seul qubit peut être dans une superposition avec des valeurs énormes, mais lorsqu’il est mesuré, toutes les informations sont perdues et revenir à 0ou1.

Les algorithmes quantiques sont la véritable force d’un ordinateur quantique, et ils s’appuient sur l’interaction de plusieurs qubits entre eux pour lire indirectement les opérations parallèles que certains qubits font en mesurant d’autres qubits qui interfèrent avec eux.

En mettant beaucoup de qubits en parallèle (figure 3a), on peut accomplir plusieurs des fonctions qui fascinent tant les militaires dans la course quantique. En contrôlant quelles portes s’appliquent à quels qubits au fil du temps et quels qubits interfèrent les uns avec les autres, vous pouvez utiliser la puissance du chevauchement des États sur certains qubits pour faire beaucoup d’opérations parallèles, comme par exemple briser les cryptages militaires basés sur des logarithmes ou de grands nombres premiers.

De même, un peu plus utile aux besoins humains, il servirait à calculer la similitude entre deux graphiques en calculant simultanément toutes les voies (figure 3b).

 

Figure 3. a) Exemple d’algorithme quantique avec 10 qubits. Les lignes horizontales ne représentent pas vraiment un circuit mais le passage du temps, le qubit est immobile et des portes logiques (carrées) lui sont appliquées séquentiellement et interagissent avec d’autres (lignes verticales). b) Résultat d’un algorithme pour calculer la similitude entre différents graphiques, le résultat est obtenu à partir de 3 vecteurs. Image a adaptée de https://www.nature.com/articles/s41467-019-13534-2 , b de https://www.nature.com/articles/s41586-021-03202-1
Figure 3. a) Exemple d’algorithme quantique avec 10 qubits. Les lignes horizontales ne représentent pas vraiment un circuit mais le passage du temps, le qubit est immobile et des portes logiques (carrées) lui sont appliquées séquentiellement et interagissent avec d’autres (lignes verticales). b) Résultat d’un algorithme pour calculer la similitude entre différents graphiques, le résultat est obtenu à partir de 3 vecteurs. Image a adaptée de https://www.nature.com/articles/s41467-019-13534-2 , b de https://www.nature.com/articles/s41586-021-03202-1

Chiffrement quantique et contrôle du capital sur les communications

Pourtant, aussi attrayant qu’il soit de briser les codes d’autrui, le principal intérêt militaire et commercial de la carrière quantique ne réside pas dans les ordinateurs quantiques eux-mêmes. En effet, il y a toujours eu des doutes quant à leur utilité réelle, car le nombre d’algorithmes dans lesquels ils montrent un réel avantage sur les ordinateurs classiques est très faible et se composent de peu d’applicabilité pour la plupart des problèmes. Les ordinateurs quantiques d’au jour le jour sont à des années-lumière d’un ordinateur classique.

Les algorithmes peuvent fasciner les physiciens et les théoriciens de l’informatique, mais ils ne compensent ni le coût énorme de l’entretien du matériel à des températures infimes ni son coût de fabrication. L’intérêt de la course quantique pour le capital est  tout autre.

En utilisant du matériel semblable à celui des algorithmes et en utilisant une autre propriété surprenante de la quantique – l’entraitement – un état peut être réparti entre plusieurs particules entrelacées, ce qui leur permet de communiquer instantanément. Ce sont les clés quantiques ultra-sécurité dont on parle tant aujourd’hui dans tout ce qui fait référence à la carrière quantique.

Lorsque vous mesurez l’une des deux (ou plusieurs) particules entrelacées, celle-ci perd son chevauchement d’états et revient à 0 ou 1 comme prévu, mais ce qui est intéressant, c’est que l’autre particule est également affectée instantanément et indépendamment de la distance et sans que rien n’ait été envoyé entre les deux. C’est le rêve d’une communication impossible à intercepter, et c’est à cet égard que les Chinois ont beaucoup d’avantages dans la course quantique.

 

En combinant ce que nous avons vu jusqu’à présent avec ce nouvel aspect, les protocoles les plus avancés proposent d’utiliser une série de portes logiques pour – d’une manière similaire à l’interférence que nous avons vue ci-dessus – répartir l’état quantique entre différentes particules et les envoyer à différents agents (figure 4b).

 

quantique 4
Figure 4 a) Plans pour un « Internet quantique » par la distribution centralisée de clés entrelacées. b) Mécanisme d’entrelacer les particules entre elles à travers une série de portes logiques quantiques. B adapté à partir de https://science.sciencemag.org/content/372/6539/259

 

Et c’est là que le capital est vraiment excité en pleine orgie d’investissements: il rêve de pouvoir centraliser la distribution de ces clés pour un « nouveau internet quantique » entre les mains de quatre capitales qui peuvent se permettre les investissements et la technologie:

Un réseau quantique complet aspire à plus. Il ne se limiterait pas à transmettre des particules entrelacées, mais « distribuerait l’entraitement en tant que ressource », explique Neil Zimmerman, physicien au National Institute of Standards and Technology, permettant aux dispositifs d’être entrelacés pendant de longues périodes, partageant et exploitant l’information quantique. […]

Pour aller plus loin, certains envisagent également un analogue de l’informatique en nuage : l’informatique quantique dite aveugle. L’idée est que les ordinateurs quantiques les plus puissants seront un jour situés dans les laboratoires nationaux, les universités et les entreprises, tout comme les superordinateurs actuels.

 

Il y a clairement ce qu’il y a sous la course quantique : toute la gamme allant des utilisations militaires à la création d’un nouveau champ d’investissement pour le grand capital  sans destinations rentables. En cours de route: la perspective d’une concentration encore plus grande du contrôle des communications. En un mot: impérialisme.

 

La carrière quantique est une preuve de plus que le capitalisme d’aujourd’hui loin de répondre à davantage de besoins humains et de produire un véritable développement humain, ne fait que créer encore plus de pénuries et déformer dans son propre intérêt tous les développements et progrès de la connaissance sociale.

Robert Bibeau

Auteur et éditeur

2 réflexions sur “LA COURSE QUANTIQUE: DE LA MILITARISATION À LA CAPITALISATION D’INTERNET

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