Informatique quantique : histoire, acteurs, usages et avenir
Informatique quantique : histoire, acteurs, usages et avenir
Section intitulée « Informatique quantique : histoire, acteurs, usages et avenir »L’ordinateur quantique est la seule machine dont on parle depuis quarante ans comme d’une invention imminente. Il existe pourtant bel et bien : des processeurs de quelques dizaines à plus d’un millier de qubits tournent dans des laboratoires et sont accessibles en ligne. Ce qui n’existe pas encore, c’est la machine assez grande et assez fiable pour faire ce qu’on lui promet, à commencer par casser la cryptographie à clé publique actuelle. Entre ces deux réalités se loge tout le sujet, et l’essentiel de ce qu’un responsable de la sécurité doit en savoir.
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Ce qu’est un ordinateur quantique, et ce qu’il n’est pas
Section intitulée « Ce qu’est un ordinateur quantique, et ce qu’il n’est pas »Un bit classique vaut 0 ou 1. Un qubit peut être placé dans une superposition de ces deux états, décrite par deux amplitudes. Plusieurs qubits peuvent être intriqués, c’est-à-dire corrélés d’une manière qu’aucun système classique ne reproduit. Un calcul quantique consiste à manipuler ces amplitudes par des portes logiques, de façon que les mauvaises réponses s’annulent par interférence et que la bonne ressorte avec une forte probabilité au moment de la mesure, qui ramène chaque qubit à 0 ou 1.
Deux idées reçues sont à écarter. La première : un ordinateur quantique « essaie toutes les solutions en même temps ». C’est faux, ou du moins inutile : la mesure ne livre qu’un seul résultat, et tout l’art des algorithmes quantiques consiste à organiser les interférences pour que ce résultat soit le bon. La seconde : il serait plus rapide en général. Il ne l’est que pour certaines familles de problèmes dotées d’une structure mathématique particulière ; pour le reste, un bon processeur classique reste plus rapide, moins cher et beaucoup moins frileux.
Le principal ennemi est le bruit. Les qubits perdent leur état quantique au contact de leur environnement (on parle de décohérence) et chaque opération introduit une petite erreur. Pour calculer longtemps, il faut des codes correcteurs d’erreurs qui regroupent de nombreux qubits physiques imparfaits en un qubit logique fiable. Toute la course actuelle se joue là : non pas sur le nombre de qubits affiché, mais sur le nombre de qubits logiques et la profondeur de calcul qu’ils permettent.
Plusieurs technologies matérielles sont en compétition, chacune avec ses forces : circuits supraconducteurs refroidis près du zéro absolu (IBM, Google), ions piégés manipulés par laser (Quantinuum, IonQ), atomes neutres tenus par des pinces optiques (QuEra, Pasqal), photons (PsiQuantum, Quandela), qubits de chat conçus pour corriger d’eux-mêmes une partie des erreurs (Alice & Bob), et la voie topologique, plus spéculative, explorée par Microsoft.
Historique : de l’intuition de Feynman aux qubits logiques
Section intitulée « Historique : de l’intuition de Feynman aux qubits logiques »L’idée naît au début des années 1980, d’un constat de physiciens : simuler la mécanique quantique sur un ordinateur classique coûte un temps qui explose avec la taille du système. Paul Benioff décrit en 1980 un modèle quantique de la machine de Turing ; Richard Feynman propose en 1981, dans une conférence publiée l’année suivante, de simuler la nature avec des machines elles-mêmes quantiques. En 1985, David Deutsch formalise l’ordinateur quantique universel.
La discipline reste une curiosité théorique jusqu’en 1994, date à laquelle Peter Shor publie un algorithme qui factorise les grands nombres et calcule les logarithmes discrets en temps polynomial. Autrement dit, une machine quantique suffisamment grande casserait RSA et la cryptographie sur courbes elliptiques. L’informatique quantique change alors de statut : elle devient une question de sécurité nationale. Lov Grover publie en 1996 un algorithme de recherche qui accélère, plus modestement, la recherche exhaustive.
Entre-temps, la cryptographie quantique avait pris une autre route : en 1984, Charles Bennett et Gilles Brassard proposent BB84, un protocole de distribution de clés dont la sécurité repose sur les lois de la physique plutôt que sur la difficulté d’un calcul. La fin des années 1990 voit les premières démonstrations matérielles de quelques qubits ; en 2001, une équipe d’IBM et de Stanford factorise 15 avec l’algorithme de Shor, résultat aussi historique que peu menaçant pour les banques.
Les années 2010 sont celles de l’industrialisation : machines accessibles en ligne, montée en nombre de qubits, puis la démonstration par Google, en 2019, qu’un processeur de 53 qubits accomplit en quelques minutes un calcul (d’utilité nulle, choisi pour l’occasion) qu’on estimait hors de portée des superordinateurs classiques. Les années 2020 déplacent l’enjeu vers la correction d’erreurs : en 2024, Google montre qu’en agrandissant son code correcteur, le taux d’erreur du qubit logique diminue au lieu d’augmenter, condition indispensable pour espérer passer à l’échelle.
Les contributeurs
Section intitulée « Les contributeurs »Les fondateurs théoriques. Paul Benioff, Richard Feynman, Youri Manin et David Deutsch posent les bases au début des années 1980. Peter Shor (factorisation, 1994, puis premiers codes correcteurs quantiques en 1995) et Lov Grover (recherche, 1996) donnent au domaine ses algorithmes emblématiques. Alexeï Kitaev introduit les codes topologiques, dont descendent les codes de surface utilisés aujourd’hui. John Preskill popularise les termes de « suprématie quantique » (2012) puis de NISQ (Noisy Intermediate-Scale Quantum, 2018), qui désigne l’ère actuelle des machines bruitées de taille moyenne.
Les pionniers de la cryptographie quantique. Charles Bennett et Gilles Brassard (BB84, 1984), Artur Ekert (protocole fondé sur l’intrication, 1991).
Les physiciens expérimentateurs. Ignacio Cirac et Peter Zoller proposent en 1995 l’ordinateur à ions piégés. Yasunobu Nakamura démontre en 1999 un qubit supraconducteur. Alain Aspect, John Clauser et Anton Zeilinger reçoivent le prix Nobel de physique 2022 pour leurs expériences sur l’intrication, après Serge Haroche et David Wineland en 2012 pour la manipulation de systèmes quantiques individuels. Le Nobel 2025 récompense John Clarke, Michel Devoret et John Martinis pour la mise en évidence d’effets quantiques dans des circuits électriques, à la base des qubits supraconducteurs ; John Martinis dirigeait l’équipe de Google en 2019.
Les industriels. IBM et Google pour les supraconducteurs, Quantinuum et IonQ pour les ions piégés, QuEra et Pasqal pour les atomes neutres, PsiQuantum et Quandela pour la photonique, Alice & Bob pour les qubits de chat, Microsoft pour la voie topologique, D-Wave pour le recuit quantique (une approche spécialisée dans l’optimisation, distincte des machines à portes universelles). La France compte plusieurs acteurs notables dans cette liste, ce qui est assez rare pour être signalé.
Les normalisateurs. Le NIST (National Institute of Standards and Technology) a organisé de 2016 à 2024 la sélection des algorithmes de cryptographie post-quantique, c’est-à-dire résistants à un ordinateur quantique tout en tournant sur des machines classiques. En Europe, l’ANSSI et son homologue allemand, le BSI (Bundesamt für Sicherheit in der Informationstechnik), publient des recommandations de migration.
Frise chronologique
Section intitulée « Frise chronologique »| Année | Événement |
|---|---|
| 1980 | Paul Benioff décrit un modèle quantique de la machine de Turing |
| 1981 | Richard Feynman propose de simuler la physique avec des ordinateurs quantiques |
| 1984 | Protocole BB84 de distribution quantique de clés (Bennett et Brassard) |
| 1985 | David Deutsch décrit l’ordinateur quantique universel |
| 1994 | Algorithme de Shor : factorisation et logarithme discret en temps polynomial |
| 1995 | Premiers codes correcteurs quantiques (Shor) ; proposition des ions piégés (Cirac et Zoller) |
| 1996 | Algorithme de recherche de Grover |
| 1999 | Premier qubit supraconducteur (Nakamura) |
| 2001 | Factorisation de 15 avec l’algorithme de Shor sur 7 qubits (IBM et Stanford) |
| 2011 | Premier calculateur à recuit quantique commercial (D-Wave) |
| 2016 | Processeur quantique de 5 qubits accessible en ligne (IBM) ; lancement de la compétition post-quantique du NIST |
| 2019 | Google revendique la suprématie quantique avec un processeur de 53 qubits |
| 2022 | Le NIST annonce ses premiers algorithmes post-quantiques retenus ; Nobel de physique pour Aspect, Clauser et Zeilinger |
| 2023 | Démonstration de 48 qubits logiques sur atomes neutres (Harvard et QuEra) ; IBM dépasse le millier de qubits physiques |
| 2024 | Le NIST publie les normes FIPS 203, 204 et 205 (ML-KEM, Module-Lattice-Based Key-Encapsulation Mechanism ; ML-DSA ; SLH-DSA, Stateless Hash-Based Digital Signature Algorithm) ; Google montre une correction d’erreurs sous le seuil |
| 2025 | Année internationale des sciences et technologies quantiques (ONU) ; le NIST retient HQC ; Nobel de physique pour Clarke, Devoret et Martinis |
À quoi sert réellement un ordinateur quantique
Section intitulée « À quoi sert réellement un ordinateur quantique »La simulation de la matière. C’est l’usage historique et le plus solide : simuler des molécules et des matériaux dont le comportement est intrinsèquement quantique, pour la chimie, les catalyseurs ou les batteries. Le gain attendu est réel, mais il suppose des machines corrigées d’erreurs que l’on n’a pas encore.
La cryptanalyse. L’algorithme de Shor casse RSA, Diffie-Hellman et la cryptographie sur courbes elliptiques, donc l’essentiel des échanges de clés et des signatures d’aujourd’hui. Les estimations de ressources nécessaires ont fortement baissé au fil des ans : un travail publié en 2025 estime qu’une clé RSA de 2 048 bits pourrait être factorisée en moins d’une semaine avec moins d’un million de qubits physiques bruités, contre une vingtaine de millions dans l’estimation précédente de 2019. Aucune machine n’en approche, mais la tendance ne va pas dans le sens qui rassure. L’algorithme de Grover, lui, ne fait que réduire de moitié la sécurité effective des clés symétriques et des fonctions de hachage : AES-256 et SHA-256 restent considérés comme sûrs.
L’optimisation et l’apprentissage automatique. Les annonces y sont nombreuses et les avantages démontrés rares. Pour la logistique, la finance ou l’apprentissage automatique, aucun gain pratique robuste face aux meilleurs algorithmes classiques n’est établi à ce jour, ce qui n’empêche pas les communiqués de presse de l’annoncer régulièrement.
Les technologies quantiques voisines. La distribution quantique de clés (QKD) existe et est déployée sur certaines liaisons, mais elle exige un matériel dédié, ne couvre pas l’authentification et ne remplace pas la cryptographie post-quantique, position partagée par l’ANSSI. Les capteurs quantiques (gravimètres, horloges, magnétomètres) sont en revanche des usages déjà opérationnels, souvent oubliés parce qu’ils ne cassent rien.
Ce que cela change pour la sécurité, dès maintenant
Section intitulée « Ce que cela change pour la sécurité, dès maintenant »Le risque le plus concret porte un nom : récolter maintenant, déchiffrer plus tard. Un adversaire peut enregistrer aujourd’hui des échanges chiffrés et attendre de disposer d’une machine capable de les déchiffrer. Toute donnée qui doit rester confidentielle au-delà de l’horizon d’apparition de cette machine est donc déjà exposée, ce que détaille l’éditorial Récolter maintenant, déchiffrer plus tard. Les signatures sont moins urgentes, puisqu’une signature ne peut pas être forgée rétroactivement, mais les infrastructures à longue durée de vie (racines de certification, micrologiciels embarqués, systèmes industriels) doivent anticiper.
La réponse n’est pas quantique : c’est la cryptographie post-quantique, des algorithmes classiques fondés sur d’autres problèmes mathématiques. Le NIST a publié en 2024 ML-KEM pour l’échange de clés, ML-DSA et SLH-DSA pour les signatures, et retenu HQC en 2025 comme alternative d’échange de clés. L’ANSSI recommande une approche hybride, combinant un algorithme classique éprouvé et un algorithme post-quantique, le temps que ces derniers accumulent de l’expérience. La feuille de route européenne publiée en 2025 fixe le début de la transition à fin 2026 pour les États membres et la protection des infrastructures les plus sensibles d’ici 2030. Le détail de la démarche est dans Préparer la migration post-quantique et, pour le Web, dans Intégrer la cryptographie post-quantique dans TLS.
La première étape, la moins glorieuse, reste l’inventaire : savoir où se trouvent les algorithmes vulnérables, dans quels protocoles, quelles bibliothèques, quels équipements et quels contrats de fournisseurs. On ne migre pas ce qu’on ne sait pas avoir utilisé.
L’avenir : ce qui est probable, ce qui est annoncé
Section intitulée « L’avenir : ce qui est probable, ce qui est annoncé »Les feuilles de route des industriels convergent vers les premières machines tolérantes aux pannes, dotées de quelques centaines de qubits logiques, vers la fin de la décennie ; IBM vise par exemple 2029 pour une telle machine. Ces calendriers ont l’habitude de glisser, mais les progrès de la correction d’erreurs depuis 2023 sont réels et mesurés. Les premiers usages utiles devraient concerner la simulation chimique et physique, bien avant la cryptanalyse, qui demande des machines beaucoup plus grandes.
Personne ne sait dater l’apparition d’une machine capable de casser RSA-2048. Les enquêtes auprès des experts donnent une probabilité non négligeable dans les dix à quinze ans, et quasi nulle à très court terme. Pour la sécurité, la date exacte importe moins que trois durées qu’on sait estimer : la durée pendant laquelle les données doivent rester secrètes, la durée de la migration, et la durée de vie des systèmes déployés aujourd’hui. Si leur somme dépasse l’horizon incertain de la machine, il est déjà tard. Le quantique a au moins ce mérite rare : il oblige à raisonner sur le temps long dans un métier qui vit au rythme des correctifs du mardi.
🐝 Ce qui arrive si on s’en passe
Section intitulée « 🐝 Ce qui arrive si on s’en passe »Une organisation qui attend l’annonce d’un ordinateur quantique opérationnel pour s’en préoccuper aura laissé filer des années d’échanges chiffrés, déjà enregistrés par quiconque avait intérêt à les conserver. Sans inventaire cryptographique, elle découvrira au dernier moment des algorithmes vulnérables enfouis dans des équipements industriels, des bibliothèques anciennes et des certificats à longue durée de vie, dont certains ne se mettent pas à jour. Ses fournisseurs n’auront reçu aucune exigence de migration dans leurs contrats, et la transition se fera dans l’urgence, au rythme le plus lent de la chaîne. À l’inverse, céder aux promesses commerciales de la QKD ou de solutions « résistantes au quantique » non normalisées revient à remplacer un risque connu par un produit invérifiable.
🦫 Explication de la marmotte 🍫
Section intitulée « 🦫 Explication de la marmotte 🍫 »Un ordinateur ordinaire calcule avec des bits, de minuscules interrupteurs qui valent 0 ou 1. Un ordinateur quantique utilise des qubits, qui suivent les règles de la physique des atomes et des particules. Un qubit peut se trouver dans un mélange de 0 et de 1, et plusieurs qubits peuvent être liés entre eux de façon très particulière. En organisant habilement ces effets, on peut résoudre certains problèmes bien plus vite qu’avec un ordinateur ordinaire, mais seulement certains : pour envoyer un courriel ou regarder une vidéo, il n’apporte rien.
L’idée date des années 1980, avec le physicien Richard Feynman. En 1994, le mathématicien Peter Shor a montré qu’un grand ordinateur quantique pourrait casser les codes secrets qui protègent aujourd’hui Internet, ce qui a donné une énorme importance au sujet. Depuis, des entreprises et des laboratoires du monde entier construisent ces machines, mais elles font encore beaucoup d’erreurs et restent trop petites pour menacer ces codes.
Comme des espions peuvent enregistrer aujourd’hui des messages secrets pour les déchiffrer plus tard, les spécialistes préparent dès maintenant de nouveaux codes, appelés post-quantiques, qui résistent aussi aux ordinateurs quantiques. Les remplacer partout prendra des années, et c’est pour cela qu’il faut commencer tôt.
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