03 Oct
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Vous pensiez tout connaître de l’informatique ? Mais avez-vous déjà entendu parler de l’informatique quantique ? Cette discipline qui utilise des calculateurs quantiques fonctionnant grâce aux propriétés de la mécanique quantique. Avant de vous en dire plus, nous allons voir une série de notions préalables.

Qu’est-ce que la mécanique quantique et en quoi diffère-t-elle de la mécanique classique ?

La mécanique quantique s’intéresse aux phénomènes survenant à l’échelle atomique et inférieure. L’idée d’une mécanique différente est apparue lorsqu’au XXe siècle, des chercheurs ont remarqué qu’il n’était pas possible d’expliquer certains problèmes tels que l’effet photo-électrique (pour n’en citer qu’un) uniquement avec la mécanique classique. Le plus connu des concepts quantiques est la dualité onde-corpuscule, cette loi indique qu’un objet peut avoir des propriétés d’ondes mais aussi de corpuscule. La lumière par exemple peut être représentée par une onde puisqu’elle a une longueur d’onde mais elle est également composée de photons qui sont donc des corpuscules. Selon le moyen d’étude de la lumière, il faudra donc considérer cette dernière comme une onde ou comme un phénomène corpusculaire.

Il existe d’autres concepts particuliers à la physique quantique tels que l’intrication quantique ou encore la superposition quantique. Ces deux concepts interviennent directement dans l’informatique quantique, la suite de l’article va donc vous les expliquer.

L’intrication quantique

Le phénomène d’intrication quantique est observé en mécanique quantique. Il consiste à étudier l’état quantique de deux objets de manière globale. C’est à dire qu’il n’est pas possible de séparer un objet de l’autre même s’ils ne sont pas à la même position. Lorsque deux objets sont intriqués, les propriétés physiques observées sur ces deux objets sont corrélées, ce n’est pas le cas lorsque l’on étudie ces objets de manière séparée. En conclusion, si deux objets Obj1 et Obj2 sont intriqués, leurs propriétés ne sont pas indépendantes, il faut donc les considérer comme un système {Obj1+Obj2}. L’idée d’intrication quantique provient d’une expérience de pensée réalisée par un trio de chercheurs : Einstein-Podolsky-Rosen, cette expérience est restée connue comme le paradoxe EPR. Que dit cette expérience ? Le paradoxe EPR a été créé pour réfuter une croyance établie à l’époque : l’interprétation de Copenhague. Cette interprétation dit qu’un état quantique n’existe pas avant que l’on ait pu le mesurer puisque l’on a alors aucune preuve de son existence. Cependant, si deux particules ont une relation de conservation entre une de leurs propriétés, l’exemple usuel étant que la somme de leurs spins doit être nulle (il y a alors intrication quantique de l’état du système de ces deux particules), si l’on connaît l’état de la première particule après l’avoir mesuré, il nous donne automatiquement l’information sur la seconde particule sans pour autant avoir mesuré son état. Ce phénomène est indépendant de la distance séparant les particules. De nos jours, l’existence d’états intriqués a été montrée en laboratoire, confirmant l’existence du paradoxe EPR. Cependant, le transfert d’information entre deux particules intriquées ne peut pas se faire plus rapidement que la lumière.

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Le principe de superposition
En mécanique quantique, le principe de superposition autorise un même état quantique à posséder plusieurs valeurs pour une même observable. Cela est possible puisqu’un état quantique est représenté par un vecteur dans un espace vectoriel appelé espace de Hilbert. Ce vecteur admet donc une décomposition consistant en une combinaison linéaire de vecteurs selon une base de donnée. C’est le cas pour n’importe quel vecteur. En physique quantique, une observable correspond justement à une base de donnée de l’espace de Hilbert. Considérons la position d’une particule. Son état de position est alors représenté par une somme infinie de vecteurs avec chaque vecteur modélisant une position précise de l’espace. Une propriété intéressante est que le carré de la norme de chacun de ces vecteurs représente la probabilité de présence de la particule à la position donnée par le vecteur. Si la superposition quantique est concevable à l’échelle microscopique, lorsque l’on s’intéresse à l’échelle macroscopique, elle perd de son sens comme le témoigne le célèbre chat de Schrödinger. Cependant, il est possible que ces états superposés se situent dans des univers parallèles autorisant ainsi une particule à se trouver à plusieurs positions à la fois dans des univers différents.

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Après ces quelques explications, rentrons dans le vif du sujet : les calculateurs quantiques.

Qu’est ce qu’un calculateur quantique ?

Un calculateur quantique est un ordinateur exploitant les propriétés quantiques dans la lecture des algorithmes. Des calculateurs quantiques ont déjà vu le jour depuis les années 1990 et depuis, la recherche dans ce domaine est restée très intense. D’ailleurs, google et la NSA travaillent sur un programme commun pour développer un gros ordinateur quantique. L’idée est que si la taille des transistors composant les ordinateurs continue de diminuer et atteint une taille proche d’un atome, les effets quantiques, à cette échelle vont perturber le fonctionnement des composants électroniques. Cependant, ces perturbations permettraient, si l’on parvient un jour à construire de gros calculateurs, de simuler le fonctionnement de l’univers. Mais ne nous emballons pas, cela n’est pas prévu avant un certain temps. Il est par contre tout à fait concevable que ces calculateurs puisse avoir des applications révolutionnaires dans la recherche car ils permettraient de réaliser des calculs combinatoires (ce qui est encore impossible pour des ordinateurs classiques). Ils pourraient également révolutionner la cryptanalyse permettant de casser des codes beaucoup plus rapidement. Comment ? Grâce à l’interprétation d’algorithmes quantiques. Comment peut-on lire un algorithme quantique avec des bits représentant des 0 et des 1 ? C’est impossible, et c’est d’ailleurs pour cela qu’une nouvelle unité de stockage d’information a été créée : le qubit.

Le qubit

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Le qubit : (quantum + bit) est la plus petite unité de stockage d’information quantique. Il correspond à la superposition de deux états de base : ket 0 et ket 1. Il s’agit donc d’une superposition quantique de ces deux états. En d’autres mots, un bit classique est soit dans l’état : ket 0 soit dans l’état : ket 1, tandis qu’un qubit se trouve dans une superposition de ces deux états sous forme de combinaison linéaire de ces deux états avec des coefficients complexes. Cependant, contrairement au bit classique, il est impossible de dupliquer un qubit. Ceci n’est pas envisageable car on ne peut mesurer l’état d’un qubit sans figer son état. De plus, la mesure du qubit ne donne en aucun cas la valeur de ses coefficients complexes. En effet, vous savez à présent qu’un qubit est une combinaison linéaire de la forme a . ket0 + b . ket1 avec a et b complexes. Oui mais la valeur observée sera soit ket0 soit ket1. Ceci signifique que dans un cas a = 0 et dans l’autre b = 0…mais ceci est la valeur des coefficients après mesure… rien n’est précisé quant à leur valeur initiale. Il est par contre possible de téléporter un qubit sur un autre en réinitialisant le qubit en même temps. Ceci permet de garder le contenu du qubit mais ne donne toujours aucune information sur ses coefficients. La téléportation quantique est un sujet passionnant et fera l’objet d’un second article.

Où en l’informatique quantique actuelle ?

En 2001 le CEA de Saclay a réalisé une puce quantique. Cette puce réalisée en silicium utilise 3 nano-jonctions : 2 sont des qubits (des circuits électroniques contenant des états de spin dans des boites quantiques), la 3e est utilisée comme appareil de mesure.

En 2009, l’université de Yale aux USA a utilisé deux ensembles d’atomes d’alluminium fonctionnant de manière opposée (excitée ou non) pour simuler des qubits.

Quels sont les problèmes rencontrés ?

Le problème principal dans la confection d’un ordinateur quantique est le fait qu’en passant à une échelle macroscopique, il se produit un phénomène de décohérence, c’est à dire que l’on perd les propriétés quantiques pour repasser à de la mécanique classique.

Qu’attendre pour l’avenir ?

Les ordinateurs quantiques permettront de réaliser des calculs beaucoup plus compliqués qui ne peuvent pas être mis en équation par de l’algorithmique classique. Ceci révolutionnera la recherche opérationnelle ainsi que les domaines utilisant fortement les mathématiques combinatoires. De plus, le chiffrement quantique est déjà utilisé par certaines banques en Suisse et permet, grâce au principe d’impossibilité de copie du qubit, d’avoir des clés de sécurité ultra sécurisées mais de pouvoir les transmettre par téléportation quantique de façon quasi-instantanée. Il y aura donc de nombreuses applications pour la cryptanalyse et la sécurité des données.

Merci de m’avoir lu, le prochain article de physique quantique consacré à la téléportation quantitque arrivera bientôt, soyez attentifs.

A bientĂ´t, sur 2 Steps From Science

 

Sources :

https://en.wikipedia.org/wiki/Quantum_cryptography

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

https://en.wikipedia.org/wiki/Quantum_entanglement

https://en.wikipedia.org/wiki/Quantum_decoherence

Gershenfeld, Neil; Chuang, Isaac L. (June 1998). « Quantum Computing with Molecules »Â Â Scientific American.

Feynman, R. P. (1982). « Simulating physics with computers ». International Journal of Theoretical Physics 21(6): 467–488.

Lai, Richard (2011-04-18). « First light wave quantum teleportation achieved, opens door to ultra fast data transmission ».

DiVincenzo, David P. (2000-04-13). « The Physical Implementation of Quantum Computation ».

NSA seeks to build quantum computer that could crack most types of encryption ». Washington Post

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Billythekid

PhD Student in Biophysics

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