La physique quantique recèle de richesses impensables en physique classique, comme
l’ « enchevêtrement quantique d'états », ressource qui pourrait être exploitée pour traiter
l'information bien plus efficacement qu'avec les méthodes actuelles. L’invention
d'algorithmes quantiques a ainsi conduit au rêve d'un ordinateur quantique capable d'effectuer
des calculs hors de portée des ordinateurs « classiques » présents et futurs. Malheureusement,
la disparition rapide des états enchevêtrés d'un système, ou "décohérence", fait de la
réalisation de l'ordinateur quantique un véritable défi. De nombreux groupes de recherche
tentent de le relever en utilisant comme éléments mémoires de base, encore appelés « bits
quantiques », des atomes, ions ou électrons isolés, des spins nucléaires, ou même des objets
solides macroscopiques comme les circuits électriques quantiques développés par les
chercheurs du laboratoire de CEA de Saclay.
I. De l’ordinateur classique à l’ordinateur quantique :
L’ordinateur classique :
Un ordinateur classique, est une machine qui en entrée reçoit un signal en bits
(composé de 0 et 1) et donne en sortie un autre signal traité à l’aide d’un algorithme (réseau
de portes logiques).
En 1937, Turing a montré que tout ordinateur pouvait être remplacé par un ordinateur
universel moyennant l’ajout de
2
bits ce qui donne un ralentissement polynomial.
Mais, cet ordinateur peut entrer dans une boucle infinie qui le fait planter. Pour pallier
à ce problème, on rajoute des codes correcteurs comme les bits de parité.
Vers l’ordinateur quantique :
Grâce à l’interférométrie Mach-Zender d’un photon unique (possible seulement depuis
5 ans), on montre qu’un photon peut parcourir deux chemins différents au sens des
interférences. Le photon est dans une superposition de plusieurs états, mais qu’on effectue une
mesure, on détruit la cohérence.
Unité élémentaire d’information quantique : le qubit
x
a
mesure projective :
|0> avec la probabilité |α|²
ou |1> avec la probabilité |β|²
Un qubit peut être représenté dans la sphère de Bloch.
Par contre, la duplication d’un qubit est impossible et la
mesure ne donne accès qu’à un seul des coefficients (d’après le
théorème de projection).
En physique quantique, les portes logiques sont des
opérateurs unitaires (composition de rotations).
Turing
(1937)
T
0
1
1
0
1
0
1
0
(N états)
0
U
1
0
1
0
0
1
1
0
1
1
0
0
ralentissement
poly(n)
n=Log
2
(N)
2 2
cos sin
2 2
0
i i
e e
ϕ ϕ
θ θ
− +
+
θ
ϕ
0
1
x
y
z
2 2
cos sin
2 2
0
i i
e e
ϕ ϕ
θ θ
− +
+
θ
ϕ
0
1
x
y
z
θ
ϕ
0
1
x
y
z