ordinateurs quantiques et physique quantique Ψ

Un ordinateur quantique est une conception d’ordinateur qui utilise les principes de la physique quantique pour augmenter la puissance de calcul au-delà de ce qui est réalisable par un ordinateur traditionnel. Des ordinateurs quantiques ont déjà été construit et les travaux se poursuivent pour les faire évoluer vers des modèles plus pratiques.

Comment fonctionnent les ordinateurs

Les ordinateurs fonctionnent en stockant des données sous forme de nombres binaires, qui se traduisent par une série de 1 et de 0 conservés dans des composants électroniques tels que les transistors. Chaque composant de la mémoire de l’ordinateur est appelé un bit et peut être manipulé par les étapes de la logique booléenne de sorte que les bits changent, en fonction des algorithmes appliqués par le programme informatique, entre les modes 1 et 0 (parfois appelés “on” et “off”).

Comment fonctionne un ordinateur quantique

D-WAVE ordinateur quantique de Google

Un ordinateur quantique, en revanche, stock les informations sous la forme d’un 1, d’un 0 ou d’une superposition quantique de ces deux états. Un tel “bit quantique” permet une flexibilité bien plus grande que le système binaire.

Plus précisément, un ordinateur quantique est capable d’effectuer des calculs d’un ordre de grandeur bien supérieur à celui des ordinateurs traditionnels. un concept qui suscite de sérieuses préoccupations notamment dans le domaine de la cryptographie. Certains craignent qu’un ordinateur quantique efficace ne dévaste le système financier mondial en détruisant les cryptages de sécurité informatique, qui sont basés sur la factorisation de grands nombres qui ne peuvent pas être craqués par les ordinateurs traditionnels au cours de la durée de vie de l’univers. Un ordinateur quantique, en revanche, pourrait factoriser ces nombres dans un délai raisonnable.

Pour comprendre comment cela accélère les choses, prenez l’exemple suivant. Si le qubit est dans une superposition de l’état 1 et de l’état 0, et qu’il effectue un calcul avec un autre qubit dans la même superposition, alors un calcul obtient en fait 4 résultats : un résultat 1/1, un résultat 1/0, un résultat 0/1 et un résultat 0/0. C’est le résultat des mathématiques appliquées à un système quantique lorsqu’il est dans un état de décohérence. La capacité d’un ordinateur quantique à effectuer plusieurs calculs simultanément (ou en parallèle, en termes informatiques) est appelée parallélisme quantique.

Le mécanisme physique exact à l’œuvre dans l’ordinateur quantique est quelque peu complexe sur le plan théorique et dérangeant sur le plan intuitif. Généralement, il est expliqué en termes d’interprétation multi-monde de la physique quantique, dans laquelle l’ordinateur effectue des calculs non seulement dans notre univers mais aussi dans d’autres univers simultanément, alors que les différents qubits sont dans un état de décohérence quantique. Bien que cela semble tiré par les cheveux, l’interprétation multi-monde a permis de faire des prédictions qui correspondent aux résultats expérimentaux.

Histoire de l’informatique quantique

L’origine de l’informatique quantique remonte à un discours prononcé en 1959 par Richard P. Feynman, dans lequel il évoquait les effets de la miniaturisation, et notamment l’idée d’exploiter les effets quantiques pour créer des ordinateurs plus puissants. Ce discours est aussi généralement considéré comme le point de départ des nanotechnologies.

Bien sûr, avant de pouvoir réaliser les effets quantiques de l’informatique, les scientifiques et les ingénieurs ont dû développer plus complètement la technologie des ordinateurs traditionnels. C’est pourquoi, pendant de nombreuses années, l’idée de concrétiser les suggestions de Feynman n’a guère progressé directement, ni même suscité d’intérêt.

En 1985, l’idée de “portes logiques quantiques” a été avancée par David Deutsch, de l’université d’Oxford, comme moyen d’exploiter le royaume quantique à l’intérieur d’un ordinateur. En fait, l’article de Deutsch sur le sujet montrait que tout processus physique pouvait être modélisé par un ordinateur quantique.

Près de dix ans plus tard, en 1994, Peter Shor, d’AT&T, a conçu un algorithme qui pouvait utiliser seulement 6 qubits pour effectuer certaines factorisations de base… plus il y avait de cubits, plus les nombres à factoriser étaient complexes, bien sûr.

Une poignée d’ordinateurs quantiques ont été construits. Le premier, un ordinateur quantique à 2 qubits en 1998, pouvait effectuer des calculs triviaux avant de perdre la décohérence après quelques nanosecondes. En 2000, des équipes ont réussi à construire un ordinateur quantique à 4 et 7 qubits. La recherche sur le sujet est toujours très active, même si certains physiciens et ingénieurs s’inquiètent des difficultés à transposer ces expériences en systèmes informatiques à grande échelle. Néanmoins, le succès de ces premières étapes montre que la théorie fondamentale est solide.

Actuellement, c’est une véritable course à la suprématie quantique qui se déroule. Les acteurs les plus importants étant des géants du numériques comme Google, IBM…

Difficultés des ordinateurs quantiques

Le principal inconvénient de l’ordinateur quantique est le même que sa force : la décohérence quantique. Les calculs des qubits sont effectués alors que la fonction d’onde quantique est dans un état de superposition entre états, ce qui lui permet d’effectuer les calculs en utilisant simultanément les états 1 et 0.

Cependant, lorsqu’une mesure, de quelque type que ce soit, est effectuée sur un système quantique, la décohérence est rompue et la fonction d’onde s’effondre en un seul état. Par conséquent, l’ordinateur doit, d’une manière ou d’une autre, continuer à effectuer ces calculs sans qu’aucune mesure ne soit effectuée jusqu’au moment opportun, où il peut alors sortir de l’état quantique, effectuer une mesure et lire son résultat, qui est ensuite transmis au reste du système.

Les exigences physiques de la manipulation d’un système à cette échelle sont considérables et touchent aux domaines des supraconducteurs, des nanotechnologies et de l’électronique quantique, entre autres. Chacun de ces domaines est en soi un domaine sophistiqué qui est encore en plein développement. Tenter de les fusionner en un ordinateur quantique fonctionnel est une tâche que je n’envie pas particulièrement à quiconque… sauf à la personne qui y parviendra finalement.

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