Technologie de l'information quantique

La technologie de l'information quantique (QIT) est un domaine qui progresse rapidement et qui s'appuie sur la mécanique quantique pour manipuler l'information de manière novatrice, ce qui permet d'apporter de vastes améliorations par rapport aux technologies classiques. Les TQI exploitent des phénomènes quantiques tels que la superposition et l'enchevêtrement quantique pour relever les défis du stockage, du traitement, de la transmission et de la sécurité de l'information. Le domaine des technologies de l'information et de la communication englobe un éventail d'applications qui exploitent les systèmes quantiques, notamment l'informatique quantique, la détection quantique et les communications quantiques.

Nous sommes à l'aube d'une révolution des technologies de l'information (TI) rendue possible par la mécanique quantique. Pour y parvenir, il faudra mener des recherches en collaboration afin de relever les défis inhérents à la tentative de contrôle des propriétés du domaine quantique. Chaque percée permet d'approfondir la compréhension des propriétés quantiques et débouche sur de nouvelles architectures et innovations qui nous rapprochent de la suprématie quantique et d'applications commercialement viables.

Qubits

Les bits quantiques, ou qubits, sont les éléments constitutifs de la technologie quantique de l'information. Ce sont les unités les plus fondamentales de l'information quantique. Les bits de données classiques existent dans deux états, notés 0 et 1. Bien qu'ils puissent prendre de nombreuses formes et remplir une vaste gamme de fonctions, un bit doit toujours être soit dans l'état 0, soit dans l'état 1.

Si vous imaginez une sphère, la surface représente tous les états possibles d'un qubit. Les bits classiques sont comme des points situés uniquement aux pôles de la sphère, fixés à l'état 0 ou 1. Les qubits peuvent occuper n'importe quel point de la surface de la sphère, ce qui représente un nombre infini d'états possibles. Cette liberté permet aux qubits d'encoder et de traiter exponentiellement plus d'informations que les bits classiques.

Les Qubits y parviennent grâce à la superposition et à l'enchevêtrement. La superposition leur confère une flexibilité et une puissance remarquables. L'intrication permet aux qubits d'être corrélés de telle sorte que l'état d'un qubit en influence instantanément un autre, quelle que soit la distance qui les sépare. Ces propriétés uniques font voler en éclats les contraintes des bits classiques et permettent aux qubits d'exister dans un espace d'états riche et complexe. Ils peuvent coder et traiter l'information quantique d'une manière qui promet des avancées significatives en matière de calcul, de communication et de cryptographie.

Superposition

Pour revenir à l'analogie de la sphère, la superposition permet aux qubits de transporter l'information entre les états 0 et 1 en même temps. En physique classique, les objets ont des propriétés définitives à un moment donné. En physique quantique, cependant, les particules telles que les électrons, les photons et les atomes peuvent exister simultanément dans une combinaison d'états, connue sous le nom de superposition.

Le chat de Schrödinger est une expérience de pensée bien connue qui décrit comment la superposition quantique de noyaux radioactifs désintégrés et non désintégrés peut influencer la superposition au niveau macroscopique. Dans ce scénario macabre, un scientifique place un chat dans une boîte contenant un mécanisme radioactif qui contrôle une fiole de poison. Le moment de la libération du poison étant inconnu, le chat se trouve dans un état de vie et de mort jusqu'à ce que l'on ouvre la boîte et que l'on observe son sort.

La mécanique quantique ne peut pas prédire le sort du chat de Schrodinger. En revanche, elle nous fournit la probabilité de l'état dans lequel nous trouverons le chat lorsque nous ouvrirons la boîte dans le cadre d'un grand nombre d'expériences identiques.

La superposition est ce qui permet aux bits quantiques (qubits) d'exécuter des fonctions très complexes en représentant plusieurs états simultanément. Pour revenir à l'analogie de la sphère, les états de superposition ont des amplitudes et permettent aux qubits de transporter des informations entre les états 0 et 1 en même temps. Lorsque le nombre de qubits augmente, le nombre d'amplitudes de probabilité disponibles augmente de manière exponentielle. C'est cette propriété qui donne à la technologie quantique la probabilité d'accélérer considérablement la vitesse des tâches informatiques par rapport à leurs équivalents classiques.

Intrication quantique

L'intrication est la clé de l'exploitation du traitement quantique de l'information. L'intrication quantique se produit lorsque les états de deux ou plusieurs particules sont corrélés de telle sorte que l'état d'une particule influence instantanément l'état d'une autre, quelle que soit la distance qui les sépare.

Cette corrélation persiste lorsque les particules intriquées se séparent, même sur de longues distances. Sans enchevêtrement, chaque qubit existe indépendamment sur la sphère, dans son propre monde avec ses propres états possibles. Toutefois, lorsque les qubits sont intriqués, leurs positions deviennent intimement liées, ce qui leur permet d'explorer un éventail d'états plus large que ce qu'ils pourraient faire individuellement.

Les mouvements de coordonnées des qubits intriqués sur la surface de la sphère maximisent la flexibilité permise par la superposition. Si vous effectuez une mesure sur un qubit intriqué et que vous le réduisez à un état spécifique, l'état de l'autre qubit est également déterminé instantanément, quel que soit l'endroit de la sphère où il se trouve. L'intrication permet aux qubits de tirer parti de leur nature quantique collective pour libérer le potentiel de calculs hautement efficaces, de communications sécurisées et de protocoles cryptographiques novateurs.

Ce graphique représente les deux observateurs, Alice et Bob, partageant un état intriqué.

Décohérence quantique

Bien que les propriétés expliquées précédemment permettent aux qubits d'avoir une puissance de calcul bien supérieure à celle des bits classiques, un phénomène appelé décohérence quantique constitue un défi majeur pour les ordinateurs quantiques.

La décohérence quantique se produit lorsqu'un système interagit avec des éléments de l'environnement, tels que l'air, le rayonnement thermique ou un appareil de mesure qui ne démolit pas. Pour comprendre la décohérence, il faut d'abord comprendre la cohérence quantique. Dans sa forme la plus simple, la cohérence se réfère à la mesure de la relation entre les différents états possibles au sein du système quantique. Cette information est nécessaire au fonctionnement de l'ordinateur quantique. L'isolement maintient la cohérence.

La décohérence quantique se produit lorsque le système interagit avec son environnement interne et externe. Dans ce cas, les informations du système et celles de l'environnement se confondent, ce qui rend difficile la distinction entre les signaux du système quantique et le bruit de l'environnement. Les états des qubits sont instables et différents facteurs environnementaux peuvent affecter l'état d'un qubit d'une manière inconnue, comme le bruit dans les mesures scientifiques. Un photon parasite ou une fluctuation de température peut provoquer un déplacement d'énergie dans le qubit. En conséquence, l'état se rapproche de l'effondrement.

Interférence quantique

Outre l'influence des facteurs environnementaux, les qubits d'un système intriqué peuvent affecter l'état d'autres qubits. L'interférence quantique se produit lorsque les amplitudes de probabilité des différents états qu'un qubit peut prendre interfèrent les unes avec les autres, provoquant des effets d'interférence constructifs ou destructifs. Chaque trajectoire correspond à une séquence différente d'opérations appliquées au qubit.

Il y a interférence constructive lorsque les amplitudes de probabilité des trajectoires s'alignent et se renforcent mutuellement, augmentant ainsi la probabilité de trouver un qubit dans certains états. Il y a interférence destructive lorsque les amplitudes de probabilité des trajectoires s'annulent, ce qui réduit la probabilité de trouver le qubit dans certains états.

L'interférence quantique joue un rôle crucial dans le traitement de l'information quantique. En manipulant les états quantiques des qubits et en contrôlant les effets d'interférence, les algorithmes quantiques peuvent exploiter l'interférence pour améliorer l'efficacité des calculs et résoudre des problèmes considérés comme insolubles pour les systèmes classiques.

Correction quantique des erreurs

Afin de lutter contre la décohérence quantique et le bruit dans le système, les ordinateurs quantiques utilisent l'intrication et l'interférence pour corriger les erreurs. La correction classique des erreurs est plus facile à mettre en œuvre. Un bit ne peut être que 0 ou 1, et une erreur ne peut être qu'une inversion de bit. Pour y remédier, les ordinateurs classiques codent leurs bits de manière redondante. Au lieu d'utiliser un bit pour représenter 0 ou 1, ils en utilisent plusieurs, comme 000 ou 111. Une erreur peut ressembler à 010, où l'on peut supposer que cela signifie 0, et que le bit du milieu a juste eu une erreur. Cette méthode fonctionne également parce que les inversions de bits classiques sont rares.

Les Qubits sont différents. Bien que leur état puisse s'écarter des attentes, nous ne sommes pas en mesure d'observer le changement en raison de l'effondrement des mesures qui résulterait des observations. La façon dont nous travaillons avec ces qubits est similaire à celle des bits classiques : nous les codons de manière redondante, mais nous les plaçons dans un état intriqué avec d'autres qubits auxiliaires. Dans l'état intriqué, l'état de chaque qubit se connecte aux états des autres qubits. De cette manière, nous pouvons extraire des informations d'un qubit auxiliaire et déduire le changement d'état du qubit de calcul et ainsi le corriger.