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Ordinateur quantique : des photons ont factorisé un nombre !

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Deux équipes de chercheurs sont arrivées à effectuer la factorisation de 15 en nombres premiers à l'aide d'un calcul quantique. C'est la première fois qu'on arrive à réaliser ce calcul, reposant sur l'algorithme de Peter Shor, avec des photons.

Peter Shor. Crédit : MIT

La factorisation de 15 en nombres premiers, c'est-à-dire calculer que 15 est bien égal à 3 fois 5 n'est évidemment pas une grande prouesse mathématique, pas plus qu'informatique. C'est pourtant la première fois que cela a pu être réalisé avec des photons en effectuant ce qu'on appelle un calcul quantique, par opposition au calcul classique des ordinateurs d'aujourd'hui.

En 2001, le journal Nature avait déjà annoncé la réalisation d'un tel calcul. Cependant, les chercheurs de l'époque avaient employé non pas des photons mais sept noyaux dans une molécule.

Dans les ordinateurs classiques, les calculs reposent sur des opérations en binaire avec des 0 et des 1. Un ordinateur quantique manipule aussi des séries de 0 et de 1 mais il profite d'un principe fondamental de la mécanique quantique : la superposition des états.

Un recours à la magie quantique

Ce principe étrange est au cœur des célèbres paradoxes EPR et du chat de Schrödinger et c'est sur lui que repose le phénomène d'intrication quantique. Alors que les mémoires d'un ordinateur classique opèrent avec une unité d'information qui est soit dans l'état 0, soit dans l'état 1, un ordinateur quantique peut opérer avec une superposition d'états qui sont donc d'une certaine façon à la fois dans l'état 0 et 1 !

Si l'on se représente ce phénomène par une flèche pouvant se retrouver à la surface d'une sphère de rayon un, alors un état classique, un bit d'information, pointe soit vers le pôle sud (0) soit vers le pôle nord (1). Avec un bit d'information quantique, un qubit, la flèche peut se retrouver n'importe où à la surface de la sphère et la probabilité d'obtenir un état 0 ou 1 lors d'une mesure dépendra de la latitude de la flèche sur la sphère. Tant qu'une mesure n'aura pas été effectuée, on aura une superposition quantique des deux états binaires. Un résumé de cette situation se trouve dans le schéma ci-dessous.


Cliquez pour agrandir. Crédit : Universe Review

Un ordinateur quantique toujours hypothétique

En 1994, Peter Shor a trouvé un algorithme mathématique exploitant les propriétés du calcul quantique qui permet de trouver la factorisation en nombres premiers d'un entier donné. En cryptologie, c'est extrêmement important. Il se trouve qu'un ordinateur quantique employant cet algorithme ferait mieux et plus vite qu'un ordinateur classique. De manière générale, ces ordinateurs seraient capables de prouesses à faire pâlir (s'ils le pouvaient...) les ordinateurs classiques. C'est un enjeu de la recherche actuelle que de créer un ordinateur quantique vraiment performant mais on n'y est pas encore.

C'est pourquoi la performance des deux équipes, dont l'une est à l'Université du Queensland en Australie, est si intéressante. Elles sont bel et bien parvenues à mettre en œuvre avec des laser l'algorithme de Shor, pour trouver la factorisation en nombres premiers de 15. C'est un petit pas de plus vers un ordinateur quantique mais il reste encore de nombreux problèmes à surmonter dont celui, redoutable, de la décohérence. Les deux articles sur ces expériences sont sur Arxiv (voir, comme on peut le constater avec les liens sous l'article).