L'informatique quantique fait sans doute rêver, mais constitue tout de même un horizon pratique lointain. Cela ne doit pas faire oublier qu'aux fondements mêmes de nos ordinateurs et précisément des microprocesseurs qui leur permettent de calculer, stocker et traiter l'information se cachent des principes quantiques sans la découverte desquels vous ne liriez pas ces lignes, aujourd'hui sur l'écran de votre PC.
Certes, sans le principe théorique, énoncé et démontré par Alan Turing, de la possibilité de réalisation par un ordinateur de toute opération calculable - c'est à dire qu'un algorithme peut traiter, et sans l'arithmétique binaire (compter avec seulement des 0 et des 1), pas d'informatique. Mais pas d'informatique non plus sans dispositif matériel. Et de ce point de vue, on ignore souvent que les circuits CMOS (Complementary Metal Oxide Semi-conductor), qui rassemblent deux transistors complémentaires, et qui équipent les puces de nos microprocesseurs, n'ont été possibles qu'avec les découvertes (parmi d'autres) de la physique quantique du solide.
Cette même physique quantique est aussi, paradoxalement, responsable des barrières auxquelles se heurte le développement du CMOS sur Silicium dans le cadre de la loi de Moore : la miniaturisation effrénée conduit à des échelles où interviennent en effet des effets quantiques préjudiciables...
Fondamentalement contre-intuitive, la physique quantique décrit les comportements des constituants fondamentaux de la matière - protons, neutrons, électrons, etc. - dans le cadre du "modèle standard" de la physique des particules. C'est Max Planck (1858-1947) qui, le premier (1900), montre que les niveaux d'énergies de ces particules
sont quantifiés, c'est-à-dire qu'ils ne peuvent prendre n'importe quelle valeur ou varier continuement, mais seulement une série de valeurs "discrètes", en langage mathématique.
Plus tard, Niels Bohr (1885-1962) énoncera dans son principe de complémentarité la mystérieuse "dualité onde-corpuscule" : tout phénomène ondulatoire (comme la lumière) est associé à une particule (ici le photon, découvert par Einstein) et, selon les expériences, le phénomène est soit mieux décrit par une particule (unitaire, identifiée), soit mieux décrit par une onde (étendue, susceptible d'interférer). On entre ainsi dans un monde de "probabilités de présence" pour une particule, fondamentalement régi par l'incertitude sur les données spatiales d'un objet. A l'échelle macroscopique (la nôtre), ces effets disparaissent par "décohérence quantique" : l'accumulation de très nombreux constituants élémentaires agissant en effet en quelque sorte comme sélecteur de probabilité, rendant les données spatiales certaines.
| Les transistors au silicium des circuits CMOS exploitent l'effet tunnel |
Quel rapport avec les semiconducteurs (et donc les transistors, et donc les puces, et donc nos bons vieux PC) ?
Un semiconducteur est un matériau intermédiaire entre le conducteur et l'isolant, et offre ainsi un moyen de contrôler la quantité de courant électrique qui y transite. Ce contrôle s'effectue par "dopage" du matériau avec des impuretés. Sans rentrer dans les détails, disons simplement que le silicium pur est un semiconducteur intrinsèque (son comportement électrique ne dépend que de sa structure électronique), qu'un transistor au silicium (le matériau majoritaire de ce type de composant) associe deux zones de conductibilités identiques séparées par une zone fine de conductibilité contraire,
et qu'un circuit CMOS, comme nous l'avons vu, associe deux transistors aux caractéristiques de fonctionnement inverses, permettant de réaliser des portes de logiques : voilà au moins pour le lien avec la numérotation binaire !
L'importance de la physique quantique dans tout cela provient du fait que les transistors exploitent le fameux effet tunnel.
Cet effet désigne la propriété des objets "quantiques" (aux échelles des particules, donc) de franchir des barrières de potentiel. Une propriété aussi étonnante que le serait le franchissement impromptu d'un mur de pierre par un objet macroscopique, sans rien casser !
Donc, sans théorie quantique, pas de transistor. Et pourtant, alors qu'on parvient à faire tenir de plus en plus de circuits CMOS dans les puces des microprocesseurs, la physique quantique joue cette fois le rôle de trouble-fête. Le même effet tunnel et d'autres phénomènes encore atteignent un niveau d'impact tel, en deçà d'un seuil de miniaturisation qui sera bientôt atteint,
que le contrôle électrique n'est plus possible.
C'est là qu'intervient "l'informatique quantique", qui reprend plus frontalement les idées du monde quantique en proposant (pour la décrire en quelques mots seulement) des calculs massivement parallèles tirant parti de la dualité onde-corpuscule, et ajoutant ainsi de la puissance en repousant les limites de la miniaturisation. Mais cette informatique-là n'est pas encore pour demain. Si la recherche est active et les résultats encourageants, on est probablement à des décennies de l'industrialisation des ordinateurs quantiques... Pardon, des ordinateurs encore un peu plus quantiques.
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