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L'ordinateur quantique

Le concept d'ordinateur quantique concerne à la fois la théorique classique de l'information, l'informatique et la physique quantique. Nous allons tenter de résumer en quelques pages non seulement le concept d'ordinateur quantique mais également le sujet plus complexe de la théorique quantique de l'information, un passionnant voyage dans la technologie de l'avenir.

Page 3 / 10 - Comment fonctionne un ordinateur quantique ? Sommaire
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Thierry Lombry Informaticien

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 qbit peut être à la fois dans l'état 0 et l'état 1 (c'est une facon un peu cavalière d'exprimer un résultat mathématique precis et il ne faut pas mettre trop de poids dans cette interprétation). La richesse offerte par ce principe se paie cependant par l'introduction d'une incertitude dans la mesure du qbit.

Un peu plus concrétement, 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 supersposition de tous ces états. Dans cette situation, l'avantage de l'ordinateur quantique est de pouvoir traiter simultanément les 16 états.


A gauche un bit ordinaire est caractérisé par deux états, 0 ou 1. Au centre un pbit ou "bit probabiliste". Il représente la distribution des probabilités d'un bit. L'expression indiquée signifie que le pbit a une probabilité p d'être dans l'état 0 et 1-p d'être dans l'état 1. C'est l'exemple typique de la pièce de monnaie que l'on jete en l'air : elle a 1 chance sur 2 de tomber sur pile, 1 chance sur 2 de tomber sur face. A droite, le qubit opère dans un univers multidimensionnel, ses états propres correspondant à la surface d'une sphère dite de Bloch tandis que ses états logiques correspondent aux pôles de cette sphère.
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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 et les prototypes d'ordinateurs quantiques les plus puissants travaillent au mieux avec 7 qubits, l'équivalent d'un processeur de 7 bits mais massivement parallèle.

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.

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 perturder les autres calculs et de faire disparaître les interférences, ce qui provoquera en quelques sortes le “plantage” du calcul quantique.

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