Contrairement aux ordinateurs classiques, qui traitent les informations à l'aide de bits représentés par les états activé/désactivé des transistors, les ordinateurs quantiques utilisent des bits quantiques (ou qubits) pour stocker et manipuler les informations. Les qubits sont régis par les lois de la mécanique quantique plutôt que par celles de la physique classique, ce qui permet aux processeurs quantiques de fonctionner de manière fondamentalement différente. Dans un ordinateur quantique, les informations sont codées dans les états quantiques des qubits, qui peuvent exister dans des combinaisons d'états grâce au principe de superposition. Les qubits peuvent également être corrélés les uns aux autres par le biais de l'intrication.

Ces propriétés quantiques permettent aux ordinateurs quantiques de résoudre certains problèmes que les machines classiques ne peuvent pas traiter efficacement, voire pas du tout. Un qubit est essentiellement un système quantique à deux niveaux doté de caractéristiques uniques et puissantes qui constituent la base du traitement de l'information quantique. Les qubits peuvent être mis en œuvre physiquement à l'aide de diverses plateformes quantiques, notamment des circuits supraconducteurs, des ions piégés, des atomes neutres, des systèmes photoniques intégrés et des systèmes de spin à base de silicium, chacun offrant des avantages différents pour la construction de processeurs quantiques évolutifs.

Dans les ordinateurs classiques, les informations sont stockées et traitées en binaire, ce qui signifie que les bits individuels ne peuvent représenter que deux valeurs : « 0 » ou « 1 ». Contrairement au bit classique, où les informations sont représentées par les états « activé » ou « désactivé » d'un transistor, un qubit n'est pas limité aux seuls états « 0 » ou « 1 ». Il peut en fait se trouver dans les deux états en même temps. Ce phénomène est un concept fondamental de la physique quantique, connu sous le nom de superposition. Mathématiquement, nous pouvons représenter l'état du qubit (indépendamment d'une implémentation physique particulière) comme un point sur une sphère unitaire, connue sous le nom de sphère de Bloch, où l'état fondamental 0 se trouve au « pôle nord » et l'état excité 1 au « pôle sud ». Cet état de superposition peut également s'étendre à l'ensemble d'un registre de qubits dans un phénomène appelé « intrication », qui est l'élément nécessaire pour donner à l'unité de traitement quantique (QPU) son avantage computationnel par rapport à ses homologues classiques. Le nombre d'états quantiques qu'une QPU peut représenter est proportionnel à 2N.

Les performances supérieures des ordinateurs quantiques par rapport aux ordinateurs classiques se traduisent par des applications dans de nombreux secteurs, notamment : la cryptographie et la cybersécurité, la découverte de médicaments et la science et la conception des matériaux, l'optimisation de la chaîne d'approvisionnement, l'intelligence artificielle et l'apprentissage automatique, la modélisation climatique et l'énergie, la chimie et la physique computationnelles, ainsi que les services financiers.

Dans de nombreux cas d'utilisation pratique, les unités de traitement quantique (QPU) peuvent être considérées comme des accélérateurs de simulation spécialisés. Plutôt que de remplacer les ordinateurs classiques, elles sont susceptibles d'être intégrées dans les flux de travail existants afin d'exécuter des étapes spécifiques qui sont classiquement insolubles, telles que la simulation de systèmes quantiques complexes ou l'exploration de vastes espaces de solutions. Cette approche hybride permet aux systèmes quantiques et classiques de fonctionner ensemble, maximisant ainsi les atouts de chacun.

Les erreurs informatiques classiques surviennent généralement lorsqu'un ou plusieurs bits basculent de manière inattendue. Des stratégies de correction d'erreurs ont été développées pour corriger ces basculements de bits et ramener le système à l'état attendu. Aujourd'hui, la correction d'erreurs informatiques classiques n'est généralement pas nécessaire et n'est utilisée que lorsqu'une défaillance serait catastrophique et/ou lorsque l'ordinateur se trouve dans un environnement plus susceptible d'introduire des erreurs, comme dans le cas des missions spatiales.

La perte de cohérence quantique, appelée décohérence, résulte de l'effondrement des superpositions quantiques en états classiques lorsqu'elles sont mesurées. Cela se produit indépendamment du fait qu'il s'agisse d'une mesure intentionnelle effectuée par un observateur ou causée par le bruit de l'environnement. Le système quantique ne peut pas faire la différence. En raison de la présence de la décohérence, les ingénieurs quantiques qui construisent un ordinateur quantique doivent tenir compte des éléments suivants :

1. Le registre de qubits doit être isolé à la fois électromagnétiquement et thermiquement de son environnement, afin d'éviter tout échange d'énergie parasite.
2. Les opérations sur les qubits (c'est-à-dire les portes à un et deux qubits) doivent être rapides par rapport au temps de décohérence.
3. Les mesures des qubits (lecture) doivent être rapides et ne doivent pas altérer l'état quantique (non-destruction).

La mesure du temps de cohérence des qubits est donc l'une des pierres angulaires de tout laboratoire quantique. Elle fournit des informations importantes sur la qualité du qubit lui-même et de son blindage, sur son fonctionnement à l'aide de portes quantiques, ainsi que sur les caractéristiques de la lecture des qubits.

Les propriétés uniques de superposition et d'intrication permettent d'obtenir des performances jusqu'alors inimaginables dans des applications quantiques telles que l'informatique, la communication et la détection. La superposition résulte de la nature probabiliste de la mécanique quantique et persiste tant que le système n'est pas observé ou mesuré. Une fois la mesure effectuée, l'état quantique s'effondre en un résultat unique et défini. Ce comportement peut être visualisé à l'aide de la sphère de Bloch, où l'état d'un qubit correspond à un point à la surface d'une sphère unitaire. Pour les qubits supraconducteurs, les mesures sont généralement effectuées le long de l'axe z reliant les pôles nord et sud. Un état à l'un ou l'autre des pôles donne un résultat défini (0 ou 1), tandis qu'un état sur l'équateur donne des probabilités égales de mesurer l'une ou l'autre valeur.

L'intrication amplifie encore ces capacités en établissant de fortes corrélations entre les qubits, de sorte que l'état de chaque qubit ne peut être décrit indépendamment des autres. Cette interconnexion permet aux opérations quantiques d'agir simultanément sur plusieurs qubits de manière hautement coordonnée, produisant des effets d'interférence qui améliorent les résultats corrects tout en supprimant les résultats incorrects. La puissance de calcul d'une unité de traitement quantique (QPU) découle de ce comportement collectif : un registre de N qubits intriqués est décrit par 2ᴺ coefficients, ce qui permet au système de représenter et de manipuler simultanément un espace exponentiellement vaste de possibilités. Par conséquent, les algorithmes quantiques peuvent explorer de nombreuses solutions potentielles en parallèle, offrant des gains d'efficacité spectaculaires par rapport aux approches classiques pour certaines classes de problèmes.

Plusieurs grandes entreprises technologiques ont désormais démontré l'avantage quantique : la capacité des ordinateurs quantiques à résoudre des problèmes qui seraient pratiquement impossibles à résoudre pour les superordinateurs classiques. Les algorithmes quantiques réduisent considérablement le temps de traitement nécessaire pour exécuter des simulations Monte Carlo complexes et permettent des évaluations de risques très sophistiquées qui peuvent prendre en compte des variables auparavant ingérables.

Alors que l'informatique quantique à usage général reste encore à l'horizon, des processeurs quantiques spécialisés s'attaquent déjà à des problèmes d'optimisation pour des applications commercialement pertinentes qui ont un impact direct sur les opérations commerciales. Il faudra selon les prévisions au moins cinq ans pour établir l'avantage quantique comme un facteur de différenciation concurrentiel durable grâce à des approches propriétaires.

La communication quantique est une méthode de transmission d'informations utilisant les principes de la mécanique quantique, qui permet une transmission sécurisée des informations. La communication quantique peut être réalisée par diverses méthodes, notamment la distribution quantique de clés (QKD), la téléportation quantique et l'intrication quantique. Toute tentative d'interception ou d'écoute de la transmission entraînerait l'effondrement de l'état quantique, alertant à la fois l'expéditeur et le destinataire de la violation de la sécurité.