L’ordinateur quantique : utopie ou réalité ?

Rémy LACAZE | B1 CampusID

 

 

SOMMAIRE

 

 

1/- La naissance de l’ordinateur quantique

a/- Dans l’esprit des physiciens

b/- Les premiers ordinateurs quantique

2/- Au-delà des sciences, les enjeux politiques

3/- Approche de la suprématie quantique

a/- Les meilleures tentatives

b/- L’avenir des ordinateurs quantiques

4/- Sources

 

 

 

 

De nos jours, la réussite concernant la fabrication du premier « vrai » ordinateur quantique est un sujet que l'on voit couramment passé dans les revues scientifiques. On parle de « suprématie quantique », c’est-à-dire du premier ordinateur quantique qui sera enfin capable de surpasser les ordinateurs classiques. De nombreux concurrents se sont lancés dans cette course pour savoir qui créera le premier d'entre eux. Les ordinateurs classiques que l'on connait aujourd'hui ne suffiraient pas pour certains calculs qu'ont besoin de faire les scientifiques et la création de tels ordinateurs pourraient régler de grandes questions que l'on se pose aujourd'hui. Mais ce n'est pas tout, puisque, en effet, leur création poserait également de gros problèmes dans la société que nous connaissons.

 

Puisque ces ordinateurs pourraient avoir autant d'impact sur notre société, les scientifiques ne devraient pas être les seuls aujourd'hui à s'intéresser à eux. Mais également toutes les personnes qui tiennent à leurs informations telles que leurs informations bancaires. On peut donc d’ores et déjà se poser plusieurs questions telles que : qu'est-ce qu'un ordinateur quantique ? Depuis quand voulons-nous créer une telle chose ? Qui exactement ? Dans quel but cherchons-nous à en créer une ? Et enfin, de quelles manières essayons-nous d'en créer et qu'est-ce qui pose un problème à ce jour ? C'est ce que nous allons voir dans cette contribution.

 

1/ - La naissance de l'ordinateur quantique

a/- Dans l'esprit des physiciens

C’est depuis les années 1970 et 80 que les premiers ordinateurs quantiques viennent à l’esprit de physiciens. Richard Feymann, l’un des premiers d’entre eux à affirmer qu’il serait possible de fabriquer des calculateurs quantiques, dit : « Au lieu de nous plaindre que la simulation des phénomènes quantiques demande des puissances énormes à nos ordinateurs actuels, utilisons la puissance de calcul des phénomènes quantiques pour dépasser nos ordinateurs actuels. ». La plupart des autres physiciens sont sceptiques à l’idée, qu’un jour, un ordinateur quantique soit créé, ou du moins qu’il puisse être utiliser. Cependant, les recherches concernant ces calculateurs quantiques ont continué et d’importantes preuves du contraire ont commencé à voir le jour dès 1994. En effet, Peter Shor prouve alors que l’on peut, à l’aide d’un calculateur quantique, factoriser des grands nombres, c’est l’algorithme de Shor et c’est ce qui va véritablement lancer la recherche concernant ces calculateurs.

En 1996, Lov Grover découvre un algorithme avec oracle ou encore algorithme de recherche, appelé algorithme de Grover, qui permet de rechercher un ou plusieurs éléments marqués dans un ensemble ou base de données sans structure. Par exemple, on prend comme base de données un annuaire téléphonique classé alphabétiquement répertoriant une liste de noms (sorties) associés à des numéros de téléphone (entrées). On souhaite trouver le nom associé à un numéro de téléphone donné. Un algorithme classique effectuera une recherche « brute », c’est-à-dire qu’il prendra les éléments un à un afin de tester à chaque fois si le critère est vérifié. On dit qu’il effectue une recherche dans un temps proportionnel à N (N étant le nombre d’éléments). L’algorithme de Grover permet, dans les mêmes conditions, de trouver un ou plusieurs éléments non-classés dans un temps proportionnel à  et avec un espace de stockage proportionnel à . L’espace, comptant le nombre maximum de cases mémoires utilisées simultanément pendant un calcul. L’algorithme se sert de l’ensemble des nombres entiers de 1 à N pour indexer un ensemble de solutions possible à un problème. A partir de là, et si le problème est de complexité NP (non déterministe polynomial), c’est-à-dire que l’on peut rapidement vérifier si une solution candidate est bien solution, alors cet algorithme permet de faire des recherches plus vite qu’en effectuant une recherche « brute ».

 

b/- Les premiers ordinateurs quantique

Le premier ordinateur quantique est créé par IBM en 1998. Il s’agit seulement d’un ordinateur quantique à 2 qubits (quantum bits) mais il est tout de même le premier créé. L’année suivante, IBM réussi à se servir de l’algorithme de Grover sur un de 3 qubits puis 5 la même année. En 2001, IBM réussi, à l’aide d’un calculateur quantique et grâce à l’algorithme de Shor, à factoriser le nombre 15. Malheureusement, ces calculateurs quantiques ont une durée de vie ne dépassant pas quelques minutes ce qui leur a value le surnom de wetware.

 

Calculateur quantique à 7 qubits

 

Entre temps, le CEA (Commissariat à l’énergie atomique et aux énergies alternatives) met au point le quantronium, une puce en silicium utilisant trois nanojonctions Josephson. On parle d’effet Josephson lorsqu’un courant est mis en place entre deux matériaux supraconducteurs séparés par une couche d’un matériau isolant ou métallique non supraconducteur. On parle, dans le cas du quantronium, de jonctions Josephson S-I-S (supraconducteur-isolant-supraconducteur).

 

Quantronium

 

On voit ici un quantronium avec deux jonctions de ce type (au centre) et une autre à gauche du qubits (lui-même dessiné sous la forme d’un « 1 » et « 0 » réunis). Cette puce possède des systèmes plus « solide » permettant une meilleure durée de vie pour les qubits et de nouvelles possibilités.

 

La première micropuce linéaire tridimensionnelle est créée en 2006 à l’institut de traitement de l’information quantique de l’université d’Ulm en Allemagne. Cette micropuce est capable de piéger plusieurs atomes ionisés Ca+ de manière isolée. Chaque ion piégé représente alors un qubit. L’utilisation de ions Ca+ permet de les localiser dans des « pièges » grâce à des champs électriques. De là, la tension électrique appliquée permet de les déplacer d’un piège à l’autre de manière contrôlée. Pour que l’ordinateur quantique puisse effectuer des opérations, on utilise alors un laser définissant les états quantiques des atomes ionisés. On pourra alors lire les résultats de calcul de façon optique. A noter que cette micropuce possède alors un espace pour la mémoire et un pour le processeur.

La première entreprise d’informatique quantique est enfin fondée en 1999 et se nomme D-Wave Systems. Elle sort alors en 2007 un ordinateur quantique de 16 qubits et annonce avoir construit le prototype d’un processeur 28 qubits permettant de faire du recuit simulé quantique, méthode de programmation empirique. On observe donc que ces calculateurs quantiques ne sont toujours pas généraux, mais uniquement optimisés pour un type de calcul, en l’occurrence le recuit simulé, qui se prête bien au calcul quantique. C’est uniquement plus tard, en 2009, que l’université Yale créée le premier processeur quantique transistorisé de 2 qubits qui, lui, permet à présent d’exécuter des algorithmes élémentaires. En effet, alors que les calculateurs précédents utilisés des qubits à semi-conducteur dont les scientifiques n’arrivés à maintenir des états quantiques spécifiques uniquement pendant environ une nanoseconde, Schoelkopf et son équipe ont été capable, eux, de les maintenir dans ces états pendant une microseconde, soit mille fois plus longtemps. C’est donc leur durée de vie qui a permis d’exécuter tout un algorithme, bien qu’élémentaire.

 

Décohérence d'un qubit dans le temps due aux perturbations environnementales

 

On pose donc le doigt sur un des problèmes fondamentaux dans la fabrication d’un ordinateur quantique : garder les qubits dans des états quantiques spécifiques et, ce, dans le but qu’ils gardent leur cohérence quantique. On appelle cette cohérence, l’intrication quantique et c’est ce pourquoi les scientifiques peinent tant dans leur réussite de la fabrication d’un ordinateur quantique, répondant à la théorie de la suprématie quantique. Plus le circuit quantique fabriqué est grand, plus la cohérence, qui permet justement d’effectuer des opérations, est « instable » ou du moins fragile.

 

En 2011, un nouvel algorithme quantique est trouvé à l’université de Sherbrooke par des physiciens. Cet algorithme serait une version quantique de l’algorithme de Metropolis, un algorithme qui sert afin de résoudre des problèmes d’optimisation courant dans l’industrie. Sa version quantique permettrait donc de prédire le comportement de tout système physique régi par les lois de la mécanique quantique. Cette découverte marque un tournant puisqu’elle permettra aux futurs ordinateurs quantiques de simuler la nature avec une précision et une efficacité que aucuns ordinateurs classiques ne seraient capables de faire. Ceci comprend donc la simulation du comportement de certaines molécules et donc de certains médicaments avant même de l’avoir testé. Les applications seraient donc toutes simplement incroyables.

La même année, D-Wave Systems commercialisait son premier ordinateur quantique pour 10 millions de dollars, le « D-Wave One », un calculateur de 128 qubits. Il est acheté par la société Lockheed Martin puis par la NASA malgré les doutes sur sa nature quantique.

 

"D-Wave One"

En mai 2013, Google lance alors la Quantum Artificial Intelligence Lab, dont le but est de faire des recherches sur la façon dont l’informatique quantique pourrait aider l’apprentissage machine, qui hébergé par le centre de recherche Ames de la NASA. Il y est alors produit un ordinateur quantique D-Wave de 512 qubits. L’USRA (Universities Space Research Association), coordonnant des recherches dans le domaine spatial, propose alors aux chercheurs de participer au projet.

 

2/- Au-delà des sciences, les enjeux politiques

En 2014, est révélé grâce à Edward Snowden, un lanceur d’alerte américain, ancien informaticien de la CIA, que la NSA (National Security Agency) possède un projet de recherche à hauteur de 79,7 millions de dollars dont le but est de développer un ordinateur quantique qui permettrait d’espionner les communications chiffrées des Etats. Même si le projet est loin d’être réalisable à ce moment-là, on comprend que la fabrication d’un véritable ordinateur quantique pose également des problèmes au-delà de la science. En effet, il faut bien comprendre que toutes les données cryptées aujourd’hui le sont grâce à des ordinateurs classiques. En retour, ces données ne sont pourtant pas décryptables à l’aide de nos ordinateurs classiques, même le meilleur d’entre eux, car les opérations à effectuer leur prendraient bien trop de temps. Cependant, on rappelle que le but d’un ordinateur quantique est justement de pouvoir effectuer des opérations qu’un ordinateur classique ne pourrait pas faire, on entend par là qu’il pourrait effectuer ces calculs considérablement plus vite. C’est là que le problème survient. Les systèmes à clés publiques utilisent deux clés : une publique et une privée, dérivées de paires de nombres premiers. La force du cryptage repose sur la difficulté de déterminer les facteurs premiers d’un nombre. Ces systèmes utilisent des nombres premiers si grands que le calcul de la clé privée à partir de la clé publique prend environ plus de temps que la durée de vie prévue du système solaire.

 

 

Telles sont les données cryptées qui protègent votre carte bleue. Malheureusement, elles pourront être décryptées à partir de ces calculateurs quantiques. Pour que les données cryptées d’aujourd’hui le restent et ne soit pas facilement décryptées par les premiers ordinateurs quantiques, il faudrait envisager la possibilité de les recrypter non pas à partir d’un ordinateur classique mais justement à partir d’un quantique. On comprend alors qu’au-delà de la course scientifique qui s’est mise en place, il y a également et malheureusement des enjeux politiques entre les pays. La recherche continue malgré tout.

En 2014, la durée pendant laquelle les qubits conservent l’information et leur précision sont encore augmentées en utilisant du silicium comme protection autour de ceux-là. Plus tard la même année, une équipe australienne annoncent avoir mis au point deux nouveaux qubits capable d’effectuer des opérations avec une précision supérieure à 99%. Un ancien directeur technique de la NSA déclare alors qu’il est nécessaire de repenser la gestion de la sécurité d’Internet.

 

3/- Approche de la suprématie quantique

a/- Les meilleures tentatives

Deux avancées importantes sont faites par IBM l’année suivante : la détection et la mesure de deux types d’erreurs quantiques simultanément : le « bit-flip » et la « phase-flip », ainsi que le développement d’un nouveau concept de circuit de qubit qui permettrait d’utiliser plus de qubits qu’avant. Jusqu’à présent, les chercheurs étaient capables de mesurer un de ces deux types d’erreurs quantique mais jamais les deux à la fois. Cela a été justement possible en revoyant la conception du circuit. Les qubits ne seraient non plus disposés dans un tableau linéaire mais dans un réseau carré de quatre qubits supraconducteurs. Ce concept offre une voie vers de meilleurs possibilités pour aboutir à un système quantique opérationnel.

La même année la toute première porte logique quantique en silicium est fabriquée par des chercheurs de l’université de Nouvelle-Galles du Sud. La fabrication de portes logiques, qui sont de petits circuits prenant deux qubits en entrée et fournissant un qubit de résultat en sortie, sont essentiels pour espérer pouvoir fabriquer un ordinateur quantique un jour. Pour permettre à ces deux qubits à base de silicium de communiquer de manière fiable, les chercheurs ont reconfigurés les transistors classiques que l’on trouve dans nos ordinateurs et ont associé chacun d’eux à un seul électron. L’état d’un qubit pouvant être défini par le spin d’un seul électron, chaque transistor devient donc un qubit. Des électrodes en métal sur les transistors sont ensuite utiliser pour contrôler les qubits et les faire interagir. La porte logique quantique à base de silicium est alors créée. Si cette réussite constitue une avancée importante, c’est parce que le monde de l’informatique est déjà configuré en silicium.

L’année 2016, les découvertes s’accroissent et des chercheurs du CNRS, de l’université Paris Diderot et de l’université Paris-Sud progresse sur l’utilisation des photons comme source d’information. On rappelle que pour profiter des propriétés du quantique, l’intrication quantique expliquée plus haut doit être préservée. Or, le problème lorsque l’on utilisait des photons jusqu’à maintenant, c’est que la brillance, c’est-à-dire, l’indissociabilité des photons entre eux au sein d’une source, n’était pas parfaite et l’intrication n’était donc pas préservée. Ces chercheurs ont réussi à améliorer le dispositif créé afin que leur source de photon soit environ 15 fois plus brillantes que les sources usuelles.

 

Petites boites quantiques créant une source de photons

 

Ce résultat a été obtenu en plaçant une petite boite quantique de l’ordre du nanomètre au centre d’une cavité constituée d’un pilier de 3 micromètres connecté à un cadre circulaire auquel est appliqué une tension électrique. Le « bruit » que subit généralement une boite quantique et qui limite l’indiscernabilité des photons d’une source, est ici totalement supprimé.

Pendant ce temps, IBM met à disposition un framework de calcul quantique open source appelé IBM Q Expérience qui sera suivi de Qiskit en 2007. Cela a parmi de réunir des chercheurs, scientifiques, universitaires, etc. dans le but de faire découvrir l’informatique quantique.

En août, le premier ordinateur quantique reprogrammable est construit par l’université de Maryland. Ils le décrivent alors comme un « module » composé de cinq atomes chargés uniquement et qui représentent donc les qubits, piégés dans une ligne par un champ magnétique. Il est capable de résoudre trois algorithmes avec une précision globale de 98% en une seule étape, contrairement à un ordinateur classique qui effectuerait plusieurs opérations. Afin de changer l’état des cinq qubits différents, un faisceau laser dirigé par un vieux logiciel est utilisé. En projetant le laser sur ces ions piégés, cela les déplace dans un état quantique différent, reprogrammant efficacement leur machine. En résumé, ce dispositif offre la possibilité de reconfigurer le câblage entre ces qubits mais de l’extérieur.

En octobre, un nouveau type de qubit est proposé par l’université de Bâle. Elle consiste à utiliser des trous d’électrons qui ne manipulerait cette fois-ci, non pas des spins d’électrons, mais se sert de trous électroniques dans un semi-conducteur à basse température qui sont beaucoup moins vulnérables à la décohérence. Habituellement, pour créer des qubits sous forme d’électrons, on piège l’électron dans un point quantique (zone fermée d’un semi-conducteur). Ce que l’on appelle le moment angulaire intrinsèque ou encore spin permet à l’électron de se comporter constamment comme un petit aimant. C’est ce spin qui cherche à être manipulé par les chercheurs à l’aide d’un champ magnétique externe dans le but d’utiliser la direction de cette rotation afin de coder les informations. Malheureusement, les spins des atomes environnements possèdent également leurs propres champs magnétiques ce qui déforme le champ magnétique externe de façon aléatoire et interfère avec la façon dont les qubits sont programmés et lus.

En utilisant des trous d’électrons, on a également la rotation dont nous avons besoin, et la possibilité de chargé positivement ces trous afin d’éviter les noyaux des atomes environnants qui sont également chargés positivement. Ce que l’on ne pouvait pas faire avec le spin d’un électron. On dit que les trous sont immunisés contre les effets déphasants des spins nucléaires.

 

En 2017, les avancées montrent que l’on se rapproche de plus en plus de la réalisation d’ordinateurs quantiques à grand nombre de qubits, soit dans 4 à 5 ans peut-être. Des fonds énormes sont mis à disposition pour cette recherche et de grands groupes de recherche tels que Google ou Intel se rapproche de cette création. En mars, l’université de Maryland réussit à implémenter l’algorithme de Grover sur un ordinateur quantique évolutif (programmable). En se basant sur cet algorithme, il est maintenant possible d’ouvrir la voie sur la fameuse rupture de code. L’ordinateur quantique qu’ils ont utilisé possèdent cinq ions ytterbium, un métal malléable et ductile à température ambiante, en suspension dans un champ électromagnétique. Chaque ion peut être orienté vers le haut ou vers le bas et basculé d’un état à l’autre toujours grâce à un laser. Les ions interagissent alors de la même manière, via les forces répulsives associées à leur charge positive. Cette interaction permet encore une fois à un qubit d’interagir avec un autre qubit pour traiter des informations. C’est l’essence du calcul quantique. En mai, IBM dévoile des systèmes équipés de 16 et 17 qubits ce qui creuse un écart avec les anciens systèmes qui possédaient uniquement 5 qubits.

En septembre, IBM réussit finalement à simuler avec précision la structure moléculaire de l’hydrure de béryllium sur un ordinateur quantique. En permettant de déterminer l’état de plus basse énergie d’une molécule, l’ordinateur quantique prouve son utilité concernant la chimie et la médecine. Le mois d’après, Intel réussit à son tour la création d’un circuit quantique à 17 bits. D-Wave Systems commercialise ensuite leur D-Wave 2000Q, un ordinateur quantique de 2000 qubits, bien qu’il ne permette que de résoudre des problèmes d’optimisation. De leur côté, IBM réussit à faire fonctionner un calculateur à 50 qubits pendant 90 microsecondes leur permettant d’atteindre le seuil théorique fixé de la suprématie quantique. En revanche, IBM montre que ce seuil n’était pas aussi fixe que pensé et qu’il est quand même possible de modéliser le comportement d’un ordinateur quantique avec des ordinateurs classiques au-delà de 49 bits à l’aide de techniques mathématiques. Toujours avec un peu de retard, Intel dévoile à son tour un calculateur quantique à 49 qubits début 2018.

Début mars, Google créer un processeur quantique de 72 qubits et espère atteindre la suprématie quantique malgré les difficultés pour garder une harmonie entre de nombreuses technologies allant du logiciel à l’électronique de contrôle, en passant par le processeur. Une machine qui prendrait plusieurs années à être réalisés selon eux.

 

(à gauche) Bristlecone, le processeur quantique de Google de 72 qubits. (à droite) chaque "X" représente un qubit.

 

Cette année, en janvier, IBM dévoile le IBM Q System One, le premier ordinateur quantique « compact » de 20 qubits.

 

IMB Q System One

 

Il se présente sous la forme d’un cube de verre de 2,74 mètres de côté avec, au centre, un cylindre chromé suspendu à un bloc rectangulaire lumineux. L’arrière du cube contient les composants électroniques servant à analyser les calculs quantiques. La composition de cet ordinateur n’est pas anodine puisque, pour pouvoir fonctionner, un tel système doit être maintenant à des températures proches du zéro absolu, être traversé par un courant électrique extrêmement stable et être à l’abri de toute vibration. La cage en verre permet justement, au-delà de son esthétisme, de faire l’effet d’une cage de Faraday, c’est-à-dire qu’elle protège des nuisances électriques et électromagnétiques extérieures. Le but d’IBM en sortant cette machine est donc de commencer à penser l’ordinateur quantique de manière plus robuste et autonome afin qu’il puisse se retrouver dans un lieu de travail et non plus uniquement dans un laboratoire.

 

Le mois dernier, Google annonce avoir enfin atteint la suprématie quantique en annonçant un ordinateur de 54 qubits appelé Sycamore, et cela, en partenariat avec la NASA et l’ORNL (laboratoire national d’Oak Ridge).

 

Sycamore, la puce 54 qubits de Google

 

b/- L’avenir des ordinateurs quantiques

Malgré toutes les avancées qui ont été faites depuis les années 1990, la route à faire avant d’arriver à créer le premier véritable ordinateur quantique reste longue, voire une utopie selon certains spécialistes de la question. Cependant, les projets mis en place par ceux qui croient possible qu’un jour un tel calculateur sera créé semblent intéressants. La maîtrise de conception concernant les ions piégés par exemple est encourageante.

Les progrès, comme celui de la puce Sycamore de Google, étant extrêmement récents, ne permettent pas encore de prévoir la suite pour le moment. Mais nous sommes forcés de constater que l’évolution et les découvertes à ce sujet ne cessent et c’est pourquoi nous pouvons espérer qu’un jour, l’ordinateur quantique dépassera l’ordinateur classique ce qui permettrait de résoudre un nombre conséquent de problème auxquelles nous faisons face aujourd’hui.

 

 

 

Sources :

https://www.technologyreview.com/s/604068/quantum-computing-now-has-a-powerful-search-tool/

https://ai.googleblog.com/2018/03/a-preview-of-bristlecone-googles-new.html

https://fr.wikipedia.org/wiki/Supr%C3%A9matie_quantique

https://www.tradingsat.com/atos-FR0000051732/actualites/atos-atos-lance-un-programme-pour-le-calcul-quantique-705787.html

https://fr.wikipedia.org/wiki/Trou_d%27%C3%A9lectron

https://www.unibas.ch/en/News-Events/News/Uni-Research/A-new-Type-of-Quantum-Bit.html

https://fr.wikipedia.org/wiki/Semi-conducteur

https://www.sciencealert.com/researchers-have-built-the-first-reprogrammable-quantum-computer?0_4931626613251865=

https://www.clubic.com/mag/sciences/actualite-798622-calcul-quantique-bond.html

https://gizmodo.com/worlds-first-silicon-quantum-logic-gate-brings-quantum-1734653115

https://fr.wikipedia.org/wiki/Fonction_logique#Les_portes_logiques_%C3%A0_transistors

https://www-03.ibm.com/press/us/en/pressrelease/46725.wss

https://www.rocq.inria.fr/secret/Jean-Pierre.Tillich/publications_COCQ/rapport_Marin.pdf

https://www.theguardian.com/technology/2014/oct/14/quantum-computers-public-encryption

https://fr.wikipedia.org/wiki/Effet_Josephson

https://www.lemonde.fr/sciences/article/2012/03/02/un-calculateur-pas-encore-prodige_1647717_1650684.html

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https://news.yale.edu/2009/06/28/scientists-create-first-electronic-quantum-processor

https://www.scientificamerican.com/article/quarter-electrons-may-enable-quantum-computer/

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https://www.futura-sciences.com/tech/actualites/tech-premiere-micropuce-ordinateur-quantique-europe-10672/

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https://www.futura-sciences.com/tech/actualites/informatique-ordinateur-quantique-ibm-passe-test-physique-nucleaire-37117/

https://en.wikipedia.org/wiki/Coherence_(physics)#Quantum_coherence

https://www.clubic.com/technologies-d-avenir/actualite-842808-google-bristlecone-processeur-quantique-72-qubits.html

https://lejournal.cnrs.fr/articles/ordinateur-les-promesses-de-laube-quantique

https://fr.wikibooks.org/wiki/%C3%89lectronique/Les_portes_logiques

https://www.lemondeinformatique.fr/actualites/lire-qiskit-le-framework-de-calcul-quantique-open-source-d-ibm-72653.html

https://ici.radio-canada.ca/nouvelle/1145658/ordinateur-quantique-ibm-q-system-one-commercial

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