En regardant la série Star Trek Discovery, on ne peut qu’être frappé(e) par la quantité d’informations scientifiques distillées. Celles-ci sont fondées sur l’argumentation mathématique de dimensions spatio-temporelles complexes. L’ objectif? L’ exploration cartographique vers l’infini (et au-delà).
Qu’en est-il vraiment à l’heure actuelle ? La physique quantique, souvent citée dans les œuvres de science-fiction, a-t-elle fait évoluer notre rapport à l’espace et au temps? Quelles sont les applications des technologies quantiques pour l’informatique et la géographie ?
Les principes de l’informatique quantique
En informatique « basique », on utilise un principe mathématique binaire de logique booléenne avec une succession d’éléments (0) et (1) alternés (figure 1).
Figure 1 : Bit et Qubit (Source : Wooton 2020)
Un ordinateur quantique fonctionne grâce à de l’information stockée sous forme quantique, elle-même dérivée de la recherche physique fondamentale. Les bits ont dans ce cas une certaine probabilité d’être un 0 et une autre probabilité d’être un 1 . Les deux principaux aspects de la physique quantique sont les principes de la superposition et de l’intrication. Jusqu’à ce qu’un bit soit mesuré, son état est indéfini. Le bit est alors appelé quantum bit ou qubit (quantum bit). Sa puissance réside dans sa capacité de calculs de probabilités et d’algorithmes.
Les débats scientifiques autour de cette technologie se cristallisent autour de la suprématie (réelle ou relative) de l’informatique quantique sur l’informatique traditionnelle (article de la revue Nature et du journal le Monde ).
Il existe une forme de compétition autour de ces questions, animée par les grands acteurs du secteur : Microsoft, IBM, Intel et Google. Que ce soit pour revendiquer l’invention d’un nouveau processeur quantique ou promouvoir des outils dédiés en open source, on mesure les enjeux stratégiques de ces nouveaux développements à l’aune de leur communication médiatique.
Quelles sont les implications pour la géomatique?
L’informatique quantique semble pour l’instant peu concrète pour le grand public. Les applications les plus communément admises pour une utilisation plus commerciale est la cryptographie et la cybersécurité.
Néanmoins, on peut affirmer que les géomaticiens, et plus généralement les disciplines liées à la géographie, vont également pouvoir bénéficier des impacts de cette technologie.
En effet, qu’il s’agisse d’analyse de données massives (Big Data) ou de télédétection (remote sensing) les premières recherches sont prometteuses
Informatique quantique et Big Data
Si la course technologique actuelle concerne donc surtout l’invention d’un éco-système matériel (hardware) quantique, certaines grandes entreprises se sont également lancées dans la recherche de logiciels dédiés et d’algorithme spécifiques dans des secteurs particulièrement sensibles à ces évolutions (banques, assurances, transports voir figure 2). L’informatique quantique ne vise pas à collecter plus de données mais pourra être utile pour optimiser des systèmes complexes, basés sur de gros volumes de données (algorithmes de calculs de risques, modélisation des smart cities, deep learning).
Figure 2 : Exemple d’applications de l’informatique quantique dans le monde réel (Aéroport de Beijing) : A gauche, un flux de voitures engorgées dans un système de transports non optimisé; A droite : Distribution du flux de voitures par optimisation « qbsol » (the quantum processing units (QPUs) produit par D-Wave Systems) (Neukart 2017)
Informatique quantique et remote sensing
Des chercheurs de l’Université de Paderborn ont mis au point une nouvelle méthode de mesure du temps et de la lumière, des paramètres de mesures de distance utilisés pour des systèmes de repérage tels que le GPS ou le LIDAR.
En utilisant la physique quantique, l’équipe dirigée par Christine Silberhorn, lauréate du prix Leibniz, a réussi à surmonter la limite dite de résolution que l’on peut comparer au « bruit de fonds » photographique.
L’objectif était de mesurer simultanément de multiples propriétés temporelles des impulsions de lumière.
Les chercheurs européens impliqués dans ce processus ont découvert de nouvelles formes de mesure qui surmontent les limites des méthodes pré-établies. La précision de la mesure est même 10 000 fois meilleure.
Il faudra cependant un certain temps avant que cette recherche ne soit applicable et commercialisable.
Conclusion
Nous n’en sommes donc qu’aux prémices de la maîtrise de l’informatique quantique car il existe encore des freins matériels à son développement (refroidissement des équipements). Les progrès sont néanmoins perceptibles et les investissements de fonds publics ou privés vont dans le même sens. D’ailleurs, le Président français Emmanuel Macron vient d’annoncer la mise en place d’un plan de fonds d’investissements sur la recherche quantique pour un montant total de 1,8 milliard d’euros (annonce du CNRS ici). Des masters, des bourses doctorales et post-doctorales vont permettre d’émuler la recherche française. La France se hissera ainsi à la 3ème place mondiale dans la course pour l’équipement technologique du futur (voir l’article du Monde ici).
Enfin, la réalité se rapproche tous les jours de la science-fiction : la NASA a réussi dernièrement une téléportation quantique (voir l’article ici)
Les géomaticien(ne)s pourront ainsi dans les années à venir s’emparer de ces nouveaux outils et en explorer toutes les possibilités. « Longue vie et prospérité ! »
(article mis à jour le 21/01/2021)
Sources:
https://www.lebigdata.fr/physique-quantique-big-data
Vahid Ansari, Benjamin Brecht, Jano Gil-Lopez, John M. Donohue, Jaroslav Řeháček, Zdeněk Hradil, Luis L. Sánchez-Soto, and Christine Silberhorn : Achieving the Ultimate Quantum Timing Resolution PRX Quantum 2, 010301 (4 janvier2021)
Clément Cascarino : Quantum computing, aperçu sur la prochaine révolution informatique, publication de blog, mai 2019.
Florian Neukart, David Von Dollen, Gabriele Compostella, Christian Seidel,Sheir Yarkoni, and Bob Parne- Traffic flow optimization using a quantum annealer, 2017
Margaret Rouse : Superposition quantique
James Wooton: Introducing: A Quantum Procedure for Map Generation , publication de blog, 24 août 2020