Qu'est-ce qu'un ordinateur quantique ?
Un ordinateur quantique permet, pour certains algorithmes, des accélérations exceptionnelles par rapport aux ordinateurs classiques, ce qui démultiplie les capacités de calcul.
Pour mieux comprendre l'intérêt de ces ordinateurs quantiques, prenons l'exemple de l'algorithme de Shor qui permet de factoriser le produit de deux nombres premiers. Cette opération complexe demande beaucoup de temps à un ordinateur classique, voire peut s’avérer impossible pour deux nombres premiers de grande taille. En revanche, avec un ordinateur quantique, elle peut être effectuée de façon presque instantanée. Or l’algorithme de Shor permet en principe de décrypter des algorithmes cryptographiques aujourd'hui massivement utilisés pour sécuriser les communications et Internet, ce qu'on appelle la cryptographie asymétrique RSA. C'est une dimension importante à prendre en compte dans le domaine des banques, où la confidentialité des échanges et la vérification de l'identité de manière sécurisée sont primordiales.
Comment s'expliquent ces performances ?
L'ordinateur quantique fonctionne avec des Qubits, des bits quantiques, et fait appel à des propriétés de la physique quantique qui sont la superposition et l'intrication.
La superposition vient du fait qu'un bit quantique a, a priori, deux valeurs possibles simultanément : 0 et 1, avec des probabilités différentes pour chaque valeur. En comparaison, un bit classique prend la valeur de 0 ou de 1. Plusieurs Qubits peuvent être intriqués, par exemple n Qubits intriqués aboutissent à une superposition de 2n états sur lesquels il est possible de faire des calculs en parallèle, ce qui crée le potentiel d'accélération exponentielle de l’algorithme.
La difficulté avec le calcul quantique est que la superposition et l'intrication fonctionnent tant que le système est complètement isolé, mais au moment où on le mesure, un seul état apparaît, tous les autres s'écroulent ; c'est ce qu'on appelle l'écroulement de la fonction d'onde. Dans la mesure où chaque état est régi par une fonction de probabilité, c'est l'état le plus probable qui a les plus grandes chances d’apparaître lors de la mesure.
Tout l'art consiste à rendre la solution que l'on recherche comme étant l'état le plus probable et qui sera mesuré le plus sûrement.
Une autre limite consiste à disposer de suffisamment de Qubits. Il existe plusieurs technologies pour fabriquer des Qubits, mais personne ne sait aujourd'hui quelle sera celle qui s’imposera et permettra de faire dans quelques années des ordinateurs quantiques. Les deux principales sont la technologie des circuits supraconducteurs et celle des ions piégés. La première est développée notamment par IBM, Intel et Google, mais nécessite de refroidir presque au zéro absolu le système quantique ; concernant la deuxième technologie qui a aussi de bons résultats, les ions, qui sont des atomes auquel a été enlevé un électron, sont maintenus dans le vide par des champs magnétiques, et permettent de définir des Qubits.
Aujourd'hui, on est arrivé à des niveaux d'intrication, prouvés dans des laboratoires, de l'ordre de 10 à 20 Qubits. Au début de l'année 2018, IBM, Intel et Google seraient parvenus à produire entre 50 et 70 Qubits. Mais cette avancée reste à confirmer, en vérifiant notamment que ces Qubits sont bien intriqués.
Enfin, les accélérations quantiques sont fabuleuses, mais ne fonctionnent que pour certains algorithmes. Nous pensons donc que nous aurons dans le futur des plates-formes hybrides qui incluront à la fois des processeurs traditionnels, des processeurs graphiques (Graphical Processing Unit – GPU), des processeurs programmables et des processeurs quantiques (Quantum Processing Unit – QPU). Dans certains cas, les algorithmes devront tourner sur des QPU, dans d'autres cas, sur des GPU, voire même être coupés en morceaux pour tourner sur différentes technologies. Nous n’envisageons pas des ordinateurs 100 % quantiques, universels, mais plutôt des structures hybrides, qui permettront, globalement, de traiter les problèmes beaucoup plus rapidement.
Quel est le projet d'Atos dans ce domaine ?
Le projet d’Atos a été lancé début 2016 sous l’égide de Thierry
Aujourd’hui, nous arrivons à des limites physiques en matière de technologie de la puce et il va devenir de plus en plus difficile d’obtenir des accroissements de la puissance de calcul classique. Celle-ci est liée à l’augmentation de la finesse de gravure des puces ; et dans la finesse de gravure des puces, nous arrivons au niveau des atomes et il ne sera pas possible d’aller plus loin. La Loi de Moore, qui fixe que la puissance de calcul double tous les 18 mois et qui fonctionnait, jusqu’à présent, avec une régularité parfaite, va commencer à ralentir puis s’arrêter. Pour les prochaines générations, qui voudront accroître cette puissance, il faut innover. Le quantum est une façon de trouver cette nouvelle puissance. C’est pour cette raison qu’Atos s’est lancé sur ce sujet, car nous souhaitons rester leader en matière de puissance de calcul en Europe. Mais Atos est également leader en cybersécurité au niveau européen et l’algorithme de Shor représente une menace pour la sécurité en matière de cryptographie, contre laquelle il faut trouver des façons de se protéger.
Pour organiser les recherches dans ce domaine, Atos a constitué un comité scientifique de haut niveau, avec six experts de premier plan en Europe, dont Cédric Villani, lauréat de la Médaille Fields, Serge Haroche, prix Nobel.
Quels sont les objectifs fixés au projet Atos Quantum ?
Nous nous sommes fixé trois objectifs :
- le premier se situe dans le domaine du software algorithmique et consiste à fournir une plate-forme de programmation et de tests : l’Atos QLM (Quantum Learning Machine), opérationnelle depuis juillet 2017, permet de développer des programmes et des algorithmes en langage quantique, puis de les tester par émulation sur une appliance classique, c’est-à-dire comme si cela se passait sur un ordinateur quantique. Les développeurs peuvent alors avoir une première estimation des résultats du programme, en identifier d’éventuels bugs, avant de le faire tourner sur des ordinateurs quantiques réels. Il s’agit du seul émulateur commercial qui existe sur le marché pour simuler des programmes quantiques ;
- le deuxième objectif est de se préparer à fournir une capacité quantique dans des ordinateurs tout en restant agnostique en termes de technologie choisie ;
- le troisième objectif est celui de la cybersécurité : nos cryptologues développent des algorithmes « quantum safe » pour résister aux attaques potentielles utilisant l’algorithme de Shor. Certes il faudrait disposer d’un ordinateur quantique avec pas moins de 1 000 Qubits pour mettre à exécution cette menace, mais les choses peuvent évoluer très vite. Un algorithme cryptologique met quatre à cinq ans pour être évalué, puis il reste en service pendant 30 ans : nous ne pouvons donc pas prendre le risque de ne pas se préparer. Dans cette perspective, Atos a répondu en 2017 à une consultation lancée par NIST, l'Institut national des normes et de la technologie américain, sur la conception d’algorithmes post-quantiques. Plus de 80 réponses ont été envoyées, qui vont être étudiées dans les 5 prochaines années par le Comité international des cryptologues pour vérifier leur niveau de sécurisation. Ce qui veut dire que, dans cinq ans, nous pourrions avoir des standards de sécurité qu’il faut se préparer à introduire dans nos produits.
Les ordinateurs quantiques peuvent-ils également déjouer la sécurisation des transactions réalisées par une blockchain, aujourd’hui réputée inviolable ?
Effectivement ! Le quantique pourrait amener des accélérations exponentielles dans le domaine du minage et pourrait mettre en danger la sécurité des transactions d’une blockchain. Il n’existe pas d’exemples concrets mais c’est théoriquement possible, dans un horizon plutôt lointain. Mais signalons également les recherches en cours sur les propriétés quantiques pour concevoir des blockchains plus rapides, capables de gérer plus de transactions.
Quelles sont les applications possibles pour la finance ?
Les banques seront sans doute les premières intéressées par le développement des algorithmes post-quantiques, surtout si un standard est développé dans ce domaine. Elles utilisent d’ores et déjà la cryptologie quantique pour échanger des clés de chiffrement.
Par ailleurs, les banques consomment beaucoup de puissance de calcul pour faire de la modélisation, des simulations sur les marchés, leurs besoins vont grandissants et les accélérations obtenues grâce à un ordinateur quantique leur permettraient d’être encore plus performantes, plus proches du temps réel. Beaucoup de chercheurs étudient aujourd’hui la possibilité d’accélérer en quantum les algorithmes utilisés en finance. C’est notamment le cas de l’algorithme HHL, souvent utilisé pour résoudre des systèmes d’équations linéaires, réaliser des opérations de minimisation de fonctions de coût ou d’énergie, ou faire en finance de l’analyse en composantes principales. Un autre domaine est le pricing d’options, ou d’instruments financiers qui reposent sur des modélisations très complexes, comme l’équation de Black-Scholes. Il existe déjà des équations Black-Scholes quantiques qui permettent d’obtenir des accélérations.
Les chercheurs travaillent aussi sur les points communs entre les mathématiques utilisées pour l’informatique quantique et celles utilisées dans la haute finance : ainsi l’équation de Schrödinger qui régit l’évolution des systèmes quantiques a des ressemblances avec des équations de diffusion utilisées pour simuler les instruments financiers
À terme, ces ordinateurs quantiques pourraient-ils bouleverser la façon de fonctionner dans les activités financières ?
L’accélération exponentielle est véritablement un changement de paradigme. En finance, certains domaines ont besoin d’un temps de réaction quasi-instantané et nos clients qui font de la simulation sur nos supercalculateurs, veulent toujours prendre en compte plus de variables ! En revanche, c’est un domaine complexe et sur lequel pour être efficace, il faudra disposer de capacités supérieures en termes de Qubits : aujourd’hui les applications qui vont commencer à tourner notamment pour l’industrie pharmaceutique utilisent entre 50 à 100 Qubits. La partie finance viendra après, car il faudra charger beaucoup plus de Qubits. Mais cela pourrait provoquer une disruption majeure dans le domaine du pricing, avec une capacité à réagir quasi instantanée aux évolutions des marchés financiers, en intégrant en temps réel les changements dans la modélisation du pricing.
Un autre domaine intéressant est le Quantum annealing, qui est une autre façon de programmer en quantique, efficace pour résoudre spécifiquement des problèmes d’optimisation, avec des applications possibles dans le domaine financier.
Des banques comme Goldman Sachs et Morgan Stanley, ou des banques françaises en contact avec Atos, s’intéressent déjà à l’informatique quantique, y décelant une disruption majeure à venir dans leurs métiers.
