Puce Willow de Google (Source:reversepcb)

Lancement de la puce Willow de Google (Source:reversepcb)

L'avancée rapide de la technologie a fait passer l'informatique quantique des concepts théoriques à la réalité pratique. La révélation par Google de la puce quantique Willow en décembre 2024 a suscité une attention généralisée. Cette puce marque un bond significatif dans les capacités de calcul et introduit un défi potentiel aux systèmes de cryptage existants. Dans cet article, nous examinerons les principes de l'informatique quantique, explorerons la percée technologique représentée par la puce Willow de Google, examinerons ses applications potentielles, évaluerons la menace qu'elle représente pour les cryptomonnaies et discuterons de la manière dont l'industrie des cryptomonnaies devrait se préparer à ce défi émergent.

Qu'est-ce que l'informatique quantique?

L'informatique quantique est une approche computationnelle novatrice ancrée dans les principes de la mécanique quantique, utilisant des bits quantiques, ou qubits, pour effectuer des calculs. Contrairement aux bits binaires classiques, qui représentent soit 0 soit 1, les qubits peuvent exister simultanément dans une superposition des deux états et présenter des corrélations complexes grâce à l'entrelacement quantique.

Cette propriété unique permet aux ordinateurs quantiques de résoudre des problèmes spécifiques à des vitesses exponentiellement plus rapides. Par exemple, des tâches telles que la factorisation des nombres premiers, qui pourraient prendre des millions d'années pour les ordinateurs traditionnels, pourraient être effectuées en quelques secondes ou minutes à l'aide de l'informatique quantique. De telles capacités ont des implications profondes pour la cryptographie moderne et l'informatique scientifique, offrant des opportunités et des défis.

Pourquoi les ordinateurs quantiques sont-ils plus rapides que les supercalculateurs?

Les avantages des ordinateurs quantiques découlent de trois principes fondamentaux de la mécanique quantique :

1. Superposition:

   • Un seul bit quantique peut être simultanément dans un état de 0 et 1, ce qui signifie que 𝑛 bits quantiques peuvent représenter 2^𝑛 états possibles. Cela permet à l'informatique quantique d'explorer simultanément de multiples possibilités, améliorant significativement l'efficacité.

2. Intrication:

   • L'entrelacement quantique permet à deux bits quantiques d'avoir des états hautement corrélés, même s'ils sont éloignés. Cette fonctionnalité permet aux ordinateurs quantiques de collaborer rapidement lors d'opérations multi-qubits, réduisant ainsi la latence.

3. Interférence :

   • Les ordinateurs quantiques peuvent manipuler la phase des états quantiques pour améliorer la probabilité de bonnes réponses tout en réduisant la probabilité de réponses incorrectes. Cette capacité renforce encore la vitesse et la précision des calculs.

Si l'informatique quantique devait être comparée à un processus de résolution de labyrinthe, un CPU traditionnel ne peut essayer chaque chemin qu'un par un, tandis qu'un GPU peut envoyer des milliers d'agents sur des chemins différents simultanément. Un ordinateur quantique, cependant, serait comme avoir d'innombrables clones d'ombre explorant chaque chemin simultanément jusqu'à ce que la sortie soit trouvée.

La percée technologique de la puce Willow de Google

Les deux réalisations les plus importantes de la puce Willow de Google sont les suivantes :

• Willow peut réduire de manière exponentielle les erreurs, résolvant un défi clé dans la correction d'erreur quantique qui a été poursuivi pendant près de 30 ans dans ce domaine.
• Willow a accompli un calcul de référence standard en moins de cinq minutes, une tâche qui prendrait à l'un des supercalculateurs les plus rapides aujourd'hui 10 quintillions d'années (1025 ans) - un nombre dépassant largement l'âge de l'univers.

Les dernières avancées de Google en matière d'informatique quantique sont centrées autour de la puce Willow. Comparé à la puce Sycamore précédente, la puce Willow dispose de 105 qubits, soit le double de celle de Sycamore. Cependant, la véritable percée réside dans le nombre de qubits et leur qualité. Le temps de cohérence des qubits de Willow, appelé temps T1, a été considérablement amélioré, augmentant d'environ cinq fois par rapport aux puces précédentes. Cette amélioration permet aux qubits de stocker des informations pendant une période beaucoup plus longue, ce qui est sans aucun doute un facteur clé pour garantir la précision et la stabilité, et non pas simplement une augmentation significative de l'échelle.

Auparavant, un problème central avec les qubits était leur fragilité. L'un des principaux défis en informatique quantique est que les qubits sont très sensibles aux interférences externes, ce qui entraîne des taux d'erreur élevés (le taux d'erreur augmente fortement à mesure que plus de qubits sont ajoutés). La puce Willow introduit une technologie appelée Correction d'erreur de code de surface, qui combine des qubits physiques en qubits logiques plus stables, réduisant significativement la probabilité d'erreurs. Cela répond à un défi clé qui est resté non résolu depuis près de 30 ans dans le domaine de l'informatique quantique.

La puce Willow exploite des qubits logiques, ce qui permet l'auto-correction et réduit considérablement les taux d'erreur. Le cœur de cette technologie est la Correction d'Erreur Quantique (CEQ).

Julian Kelly, directeur du matériel informatique quantique, présente Willow et ses réalisations (Source:youtube)

Qu'est-ce que la correction d'erreur quantique ?

La correction d'erreur quantique (QEC) est une méthode utilisée pour corriger les erreurs qui se produisent lors du fonctionnement des ordinateurs quantiques. Comme les qubits sont extrêmement sensibles, juste une lumière parasite peut provoquer des erreurs de calcul, les techniques de correction d'erreur quantique sont essentielles pour réduire les taux d'erreur.

Contrairement aux ordinateurs traditionnels qui utilisent des contrôles de parité pour corriger les erreurs, les ordinateurs quantiques ne peuvent pas mesurer directement l'état d'un qubit unique pour détecter les erreurs. Au lieu de cela, le CQE utilise plusieurs qubits physiques pour former un qubit logique. Même si certains qubits physiques sont perturbés, le système peut toujours récupérer les informations correctes. En termes simples, les informations sont réparties sur plusieurs qubits, plutôt que concentrées dans un seul qubit, de sorte que même si une partie des qubits est perturbée, les qubits restants peuvent encore fournir suffisamment d'informations pour corriger l'erreur.

Les chercheurs de Google ont découvert qu’en introduisant plus de qubits et en effectuant une correction d’erreur en temps réel, ils pourraient réduire considérablement les taux d’erreur. Ils ont publié cette percée dans le dernier numéro du magazine Nature, la décrivant comme un progrès « en dessous du seuil ». Cela signifie qu’à mesure que le nombre de qubits augmente, le taux d’erreur peut diminuer de manière exponentielle, marquant ainsi une étape majeure dans l’histoire de l’informatique quantique.

Applications de l'informatique quantique

Développement de médicaments et science des matériaux

L'informatique quantique peut simuler des structures moléculaires pour aider les chercheurs à prédire rapidement les interactions moléculaires, accélérant ainsi la découverte de nouveaux médicaments et matériaux, tels que :

• Conception de médicaments : L'informatique quantique a le potentiel de révolutionner la conception de médicaments en simulant les processus de repliement des protéines, accélérant ainsi considérablement le développement de traitements contre le cancer ou de vaccins. Par exemple, lors du développement de vaccins contre la COVID-19, l'informatique quantique a joué un rôle essentiel dans l'analyse des structures protéiques. La technologie d'inspiration quantique de Fujitsu a pu passer au crible des trillions de molécules et identifier des candidats médicamenteux prometteurs en seulement huit semaines, réduisant de manière significative le délai typique de découverte de médicaments.
• Science des matériaux : Rechercher de nouveaux matériaux supraconducteurs ou des technologies de batteries de nouvelle génération pour améliorer l’efficacité et la durée de vie des batteries de véhicules électriques.

Modélisation du climat et sciences de l'environnement

L'informatique quantique peut simuler les processus complexes du changement climatique pour aider les chercheurs à comprendre les changements environnementaux et à trouver des solutions :

• Simulation du climat: Prédire les tendances futures du réchauffement planétaire et fournir des données pour soutenir l'élaboration de politiques de réduction des émissions.
• Optimisation de la distribution d'énergie: Aider les chercheurs à concevoir des systèmes de réseau électrique plus efficaces pour optimiser la distribution d'énergie et réduire les pertes. Par exemple, Fujitsu s'est associé au port de Hambourg pour utiliser l'informatique inspirée par la physique quantique afin d'optimiser les signaux de circulation dans la zone portuaire. Cela réduit la congestion et la pollution, ce qui se traduit par une utilisation plus efficace de l'énergie.

Nouvelles énergies et fusion nucléaire

L'informatique quantique peut simuler le comportement atomique et moléculaire, accélérant la recherche en technologie de fusion nucléaire et le développement de systèmes énergétiques plus efficaces:

• Simulation de réaction de fusion nucléaire : L’informatique quantique aide les chercheurs à comprendre les conditions complexes requises pour les réactions de fusion nucléaire, jouant un rôle central dans l’avancement de la révolution de l’énergie propre.
• Amélioration de la technologie des batteries : en simulant les réactions chimiques au niveau moléculaire, l'informatique quantique peut aider à concevoir des batteries plus efficaces et respectueuses de l'environnement. Par exemple, Daimler, en collaboration avec IBM, a utilisé l'informatique quantique pour simuler le comportement des molécules de soufre, ce qui a contribué au développement de batteries lithium-soufre plus performantes et plus durables.

Transport et logistique

• Planification des vols : IBM utilise l'informatique quantique pour optimiser simultanément la gestion de la flotte, les affectations d'équipage et les facteurs de passagers, offrant ainsi les solutions les plus efficaces pour accélérer la reprise des opérations de vol.
• Fabrication automobile : En partenariat avec Toyota, Fujitsu utilise la technologie de recuit numérique pour calculer en temps réel les itinéraires de circulation, réduisant ainsi efficacement les coûts logistiques et améliorant l'efficacité opérationnelle.

Hartmut Neven, fondateur de Google Quantum AI, a souligné que la sortie de la puce Willow marque une avancée significative pour l'informatique quantique commercialement viable. Bien que la technologie en soit encore à ses débuts, elle pose des bases solides pour résoudre des problèmes concrets à l'avenir.

La menace de l'informatique quantique pour les crypto-monnaies

Avec l'évolution de l'informatique quantique, elle présente des défis sans précédent pour la sécurité des crypto-monnaies. Actuellement, la plupart des crypto-monnaies dépendent de méthodes traditionnelles de chiffrement à clé publique, telles que la cryptographie sur courbe elliptique (ECC) et la fonction de hachage SHA-256. Cependant, la puissance de calcul immense des ordinateurs quantiques peut potentiellement compromettre entièrement ces normes de chiffrement existantes.

1. Le risque de décryptage de chiffrement à clé publique

• Les méthodes traditionnelles de cryptage à clé publique, telles que RSA et ECC, dépendent de la difficulté de calcul des problèmes tels que la factorisation en nombres premiers et les logarithmes discrets pour garantir la sécurité.
• L'algorithme de Shor en informatique quantique peut résoudre ces problèmes de manière exponentielle plus rapide, rendant les méthodes de cryptage actuelles vulnérables. Cela pourrait potentiellement permettre aux pirates informatiques de contourner les mesures de sécurité, d'accéder aux clés privées des utilisateurs et de compromettre leurs actifs numériques.

2. Le risque des algorithmes de hachage

• Le mécanisme de preuve de travail (PoW) du Bitcoin repose sur la fonction de hachage SHA-256 pour garantir l'intégrité des transactions.
• L'algorithme de Grover en informatique quantique peut accélérer le processus de déchiffrement du SHA-256 d'un facteur de racine carrée. Bien que cela ne soit pas aussi catastrophique que l'algorithme de Shor sur le chiffrement à clé publique, cela pourrait tout de même affaiblir la sécurité des crypto-monnaies.

3. Problèmes de sécurité des transactions

• Les détails des transactions sont enregistrés publiquement sur la blockchain dans des cryptomonnaies telles que Bitcoin. Les pirates informatiques pourraient exploiter l'informatique quantique pour casser les clés privées des transactions qui n'ont pas encore été confirmées, ce qui leur permettrait d'initier des transactions non autorisées.
• Cette vulnérabilité de type « attaque d'abord, vérification ultérieure » met en danger les actifs numériques et pourrait compromettre l'intégrité globale et la fiabilité du réseau blockchain.

Selon un rapport de l'Institut Hudson, si les ordinateurs quantiques parviennent à briser la sécurité du Bitcoin, cela pourrait entraîner plus de 3 billions de dollars de pertes sur le marché, provoquant potentiellement des turbulences sur les marchés financiers mondiaux. Ce risque ne fera que croître à mesure que le Bitcoin et d'autres cryptomonnaies continueront à gagner en adoption grand public en tant qu'actifs d'investissement. Cependant, des recherches indiquent qu'un ordinateur quantique suffisamment puissant pour briser le cryptage du Bitcoin est encore à au moins une décennie de distance. Malgré cela, la menace reste une préoccupation à long terme. Si la communauté du développement du Bitcoin ne parvient pas à mettre à jour ses protocoles de sécurité à temps, elle pourrait faire face à des risques importants à l'avenir. Alors que les techniques cryptographiques actuelles des cryptomonnaies restent efficaces dans les environnements informatiques traditionnels, la puissance de calcul des ordinateurs quantiques pourrait éventuellement perturber cet équilibre.

Stratégies et orientations pour les crypto-monnaies en réponse à l’informatique quantique

À mesure que l'informatique quantique progresse, la communauté des cryptomonnaies et les institutions de recherche explorent activement des stratégies pour protéger les actifs numériques et garantir le développement stable de la technologie de la blockchain. Ces stratégies incluent la mise à niveau des techniques cryptographiques, l'amélioration des protocoles de la blockchain, le renforcement des mesures de sécurité des transactions, l'établissement de réglementations et de normes, ainsi que la création de cadres de surveillance et de collaboration à long terme.

Développer la cryptographie post-quantique (PQC)

Comme mentionné précédemment, étant donné que les technologies de cryptage actuelles (telles que RSA et ECC) pourraient être compromises par les ordinateurs quantiques, le développement de la cryptographie post-quantique (PQC) est devenu un point central. Le National Institute of Standards and Technology (NIST) dirige les efforts pour établir des normes de cryptographie post-quantique, qui incluent :

• Chiffrement basé sur les réseaux en treillis : Les techniques comme Kyber et NTRU, qui exploitent la théorie des réseaux en treillis pour garantir la sécurité, ont été sélectionnées par le NIST comme normes cryptographiques post-quantiques.
• Chiffrement basé sur le hachage : un exemple est SPHINCS+, qui est bien adapté aux signatures numériques et offre une protection robuste contre les attaques de l’informatique quantique.
• Chiffrement polynomial multivarié : Cette approche repose sur la complexité de la résolution d'équations polynomiales multivariées pour garantir la sécurité.

Mise à niveau des protocoles blockchain et intégration des technologies

En plus de développer de nouvelles techniques cryptographiques, les protocoles de la blockchain doivent être mis à jour pour répondre aux exigences de sécurité de l'ère quantique. Les grands projets de la blockchain explorent actuellement les technologies suivantes :

• Bitcoin: La communauté étudie comment intégrer des signatures post-quantiques (telles que les signatures Lamport et les signatures Winternitz) dans le réseau Bitcoin pour garantir la sécurité des transactions.
• Ethereum: Recherche sur les technologies de preuve de connaissance nulle comme zk-SNARKs et STARKs, qui amélioreront la confidentialité et réduiront la dépendance aux techniques cryptographiques traditionnelles.
• Blockchain Résistant à la Quantique : Des projets tels que Quantum-Resistant Ledger (QRL) et QANplatform se concentrent sur le développement de technologies blockchain résistantes aux attaques quantiques, protégeant la sécurité des transactions et des données au niveau architectural.
• Optimisation des mécanismes de consensus de la blockchain : L'introduction de nouveaux algorithmes de consensus, tels que la Preuve d'Enjeu (PoS) résistante à l'informatique quantique, vise à garantir la stabilité et la sécurité à long terme des systèmes décentralisés face aux menaces quantiques.

Renforcement de la sécurité des transactions et des clés privées

Étant donné le potentiel des ordinateurs quantiques pour miner la cryptographie traditionnelle, il est crucial de renforcer davantage la sécurité des transactions de crypto-monnaie et des clés privées.

• Technologie de multi-signature : Cela nécessite plusieurs clés privées pour autoriser une transaction, renforçant la sécurité et réduisant le risque de vulnérabilités ponctuelles.
• Schéma de signature seuil (TSS) : Cette approche divise la clé privée en plusieurs parties, distribuées sur plusieurs appareils. Cela rend plus difficile pour les pirates informatiques de compromettre une seule clé en utilisant l'informatique quantique.
• Réduction du temps de confirmation des transactions : en optimisant l’efficacité du réseau, le temps nécessaire à la confirmation des transactions peut être raccourci, réduisant ainsi la fenêtre d’exposition des clés privées sur le réseau.

Établir des réglementations et des normes

• Développement de normes mondiales : Les organismes gouvernementaux et les organisations internationales, tels que le NIST et l'ISO, devraient travailler en étroite collaboration avec les entreprises technologiques pour créer des normes de chiffrement post-quantique unifiées. Cet effort collaboratif contribuera à garantir une amélioration mondiale des mesures de sécurité sur le marché des crypto-monnaies.
• Réglementations pour les risques quantiques : Les autorités de régulation devraient mettre en œuvre des lignes directrices qui obligent les bourses de crypto-monnaie et les fournisseurs de portefeuilles à adopter des mécanismes résistants à l'informatique quantique. Ces réglementations seront cruciales pour protéger les intérêts des investisseurs.

Conclusion

Le développement de l'informatique quantique a atteint un stade crucial, avec la puce Willow de Google nous rapprochant de l'ère quantique. Alors que cela marque un saut technologique, cela pose également une menace significative pour la sécurité des cryptomonnaies et des systèmes financiers. Les experts prédisent que les ordinateurs quantiques capables de casser le chiffrement du Bitcoin pourraient encore être à 10 ou 20 ans, mais la course est déjà en cours. Arthur Herman, chercheur à l'Institut Hudson, a averti que les attaques de piratage quantique sont semblables à une bombe à retardement. Une fois qu'elles se produisent, elles pourraient entraîner des pertes pouvant atteindre 3 billions de dollars de valeur marchande et potentiellement déclencher une crise financière. Alors que la valeur du Bitcoin approche les 100 000 dollars, il devient une cible plus attrayante pour les pirates informatiques. Il sera crucial pour la communauté de la blockchain, les institutions académiques et les régulateurs gouvernementaux de collaborer pour faire avancer la cryptographie post-quantique (PQC) et mettre à niveau l'infrastructure de la blockchain existante, protégeant ainsi les actifs numériques. Dans cette course contre la montre, ceux qui prennent des mesures proactives seront les mieux placés pour prospérer dans l'ère quantique.