Quantique ? Comment ?

Alors non ce n'est pas un nouveau livre de psaumes.



La physique quantique est l'appellation générale d'un ensemble de théories physiques nées au XXe siècle qui, comme la théorie de la relativité, marquent une rupture avec ce que l'on appelle maintenant la physique classique, l'ensemble des théories et principes physiques admis au XIXe siècle.

Les théories dites « quantiques » décrivent le comportement des atomes et des particules, ce que la physique classique n'avait pu faire, et permettent d'élucider certaines propriétés du rayonnement électromagnétique.

La physique quantique heurte le sens commun à plusieurs égards. Sa description du monde microscopique, radicalement nouvelle, s'appuie sur de nouveaux postulats.

Cette video simplifiée, l'explique facilement :

A présent l'ordinateur quantique existe.

Nous savons qu'un ordinateur classique traite des informations élémentaires, des bits, qui ne peuvent présenter qu'un état parmi deux possibles : 0 ou 1. C'est le langage binaire. La révolution que propose l'informatique quantique est de remplacer ces bits par des bits quantiques, ou q(u)bits en abrégé, pouvant prendre un ensemble de valeurs beaucoup plus large. En effet, la physique quantique, avec son principe de superposition, permet à un état d'être un "mélange" d'autres états. Ainsi, un qbit peut prendre les valeurs 0 ou 1, mais aussi un état constitue de 10% de 0 et 90% de 1, ou toute autre combinaison. Ceci signifie que quand on mesure la valeur du qbit, on a 10% de chances de trouver 0 et 90% de trouver 1. En gros, le qubit peut être à la fois dans l'état 0 et l'état 1. La richesse offerte par ce principe se paie cependant par l'introduction d'une incertitude dans la mesure du qbit.

Un peu plus concrètement, avec 4 bits, un ordinateur classique peut traiter un état parmi 24 soit 16 états différents :

0000, 0001, 0010, 0011, etc. Dans un ordinateur quantique, les quatre qbits pourraient être dans une superposition de tous ces états. Dans cette situation, l'avantage de l'ordinateur quantique est de pouvoir traiter simultanément les 16 états.

Des ordinateurs quantiques équipés de processeurs de N qubits permettent donc de gérer 2N informations différentes simultanément ! Ils calculent donc N fois plus vite qu'un ordinateur classique puisqu'ils sont capables d'effectuer ces calculs en parallèle ! Le nombre de qubits augmente donc de manière exponentielle la puissance du travail en parallèle. Il est ainsi facile de calculer qu'un ordinateur quantique de 300 qbits pourraient gérer environ 1090 informations, soit plus que le nombre d'atomes dans l'Univers observable.

Aujourd'hui nous sommes cependant encore loin de pouvoir gérer autant d'états.

Gérer la décohérence

Lorsqu'un système quantique est dans un état quantique qui est une superposition de plusieurs états classiques, on parle d'état cohérent, et le phénomène est désigné sous les noms "emmêlement ou imbrication quantique". Mais l'une des raisons pour lesquelles il est très difficile de produire aux échelles macroscopiques des états intriqués est qu'aussitôt qu'un système quantique interagit avec son environnement, il “décohère” et tombe dans l'un des états classiques.

Ce phénomène d’interférence est appelé décohérence, c’est le principal obstacle actuel à la réalisation d’ordinateur quantique. Le temps de décohérence correspond pour un système quantique au temps pendant lequel ses propriétés quantiques ne sont pas corrompues par l’environnement externe.

La puissance potentielle des ordinateurs quantiques dépend des propriétés de parallélisme présentes dans l'état d'imbrication quantique. Le phénomène de décohérence représente donc un obstacle majeur pour la fabrication de tels ordinateurs car il signifie un retour vers des états classiques, mais aussi une perte d'information et un grand risque d'erreurs dans les calculs."

De plus, la mesure de la valeur contenue dans les qbits brise la superposition, et on se retrouve dans la même situation que dans le cas classique : chaque qbit contient la valeur 0 ou 1 après la mesure ! On semble donc perdre d'un coup tous les avantages offerts par les propriétés quantiques.

Une des grandes difficultés de ce domaine est ainsi de trouver des algorithmes propres aux ordinateurs quantiques et qui permettent de ne pas perdre le résultat du calcul quand on le lit...

Trouver le résultat

Mais ce n'est pas le seul problème auquel les physiciens doivent faire face. L'ordinateur quantique travaillant dans un univers mathématique multidimensionnel, les résultats d'un calcul effectué en parallèle sont distribués dans autant d'univers parallèles ou différents.

Quelle est la conséquence pratique de ce phénomène ?

L'utilisation d'états imbriqués pour une série de calculs donnée signifie que la solution finale du calcul se trouve délocalisée dans l'ensemble des interférences créées par les différentes étapes classiques. En pratique, cela signifie que si vous regardez un calcul particulier, l'équivalent d'un état intermédiaire, vous prenez le risque de perturber les autres calculs et de faire disparaître les interférences, ce qui provoquera en quelques sortes le “plantage” du calcul quantique.


Ces ordinateurs quantiques auront le potentiel d’effectuer certains calculs beaucoup plus rapidement que n’importe quel ordinateur à base de silicium. Les scientifiques se sont déjà penchés sur le sujet des ordinateurs quantiques depuis le début des années 90 et ont même réussi à créer des calculateurs de base qui peuvent effectuer certains calculs, mais un ordinateur quantique pratique est encore loin de voir le jour.

Le qubit:

Avant de commencer à définir un ordinateur quantique, il faudrait connaître le qubit. Le qubit est en quelques sorte la même chose qu’un bit dans un ordinateur classique. Comme on le sait, le bit peut prendre deux valeurs, Zéro ou un selon l’état du transistor. Le qubit, qui est lié à l’atome, au photon ou à l’électron peut avoir trois état, on va dire le 1, le 0 et une superposition de 1 et de 0. Le fait d’avoir cette état de superposition entre le 0 et le 1 permet au qubit, quand il est accompagné d’un autre qubit d’avoir quatre états, et quand on rajoute deux autres qubits, on aura 16 états. La loi générale sera alors “2” à la puissance “n” avec “n” qui est le nombre de qubit dans le processeur. Je vous laisse imaginer la quantité d’information qu’on pourrait traiter avec plusieurs qubits dans le processeur. Il existe plusieurs façons physiques de représenter un qubit, on peut le représenter par les spin d’électron, par les niveaux d’énergie dans un atome ou par la polarisation d’un photon.

ORDINATEUR QUANTIQUE DE LA NASA ET GOOGLE

Pour tester ces ordinateurs, ils lui soumettent un problème d’optimisation très classique. Il s’agit d’un cas où un problème se complexifie de plus en plus. Par exemple, quelle route doit prendre une sonde qui doit visiter plusieurs planètes. Plus on ajoute d’étapes sur son trajet, plus le nombre de routes possibles augmente. Les ordinateurs conventionnels se retrouve ainsi dans l’incapacité de proposer une solution dans un temps raisonnable. Le D-Wave 2X a reçu 1000 variables. On comprend aisément l’intérêt d’un ordinateur quantique pour résoudre de tels problèmes.

D’autres ordinateurs quantiques ?

Il y a actuellement 2 autres ordinateurs quantiques fabriqués par D-Wave Systems, la start-up canadienne partenaire de Google et de la NASA.Le premier ordinateur prototype était basé sur un 512 qubits et le dernier a été amélioré pour atteindre les 1097 qubits.  D’autres sociétés se sont lancés dans la course au superordinateur quantique. Nous pouvons citer IBM, Microsoft, Intel. Et en France, c’est le CEA qui travaille sur une puce en silicium capable de gérer le qubit.