Comment fonctionnent les ordinateurs quantiques ?

L’ordinateur quantique fascine autant qu’il intrigue. Souvent qualifiée de technologie du futur, l’informatique quantique semble sortie d’un roman de science-fiction. Mais elle est bien réelle et progresse rapidement. Pour comprendre le fonctionnement des ordinateurs quantiques, il faut plonger dans le monde des qubits et des principes de la mécanique quantique qui les régissent, notamment la superposition, l’intrication et la décohérence. Cet article vise à démystifier cette technologie complexe, à expliciter ses principes de base et à explorer pourquoi elle est si différente de l’informatique classique.

Qu’est-ce qu’un ordinateur quantique ?

Contrairement à un ordinateur classique, qui manipule des bits (unité fondamentale d’information binaire qui peut être soit 0, soit 1), un ordinateur quantique repose sur des qubits. Ce concept de qubit est au cœur de l’informatique quantique et permet des calculs autrement impossibles. Les ordinateurs classiques, qui fonctionnent à base de transistors, suivent les lois de la physique classique. En revanche, les ordinateurs quantiques exploitent les lois de la mécanique quantique, une branche de la physique qui décrit les phénomènes à des échelles extrêmement petites, comme celle des atomes et des particules subatomiques.

« Les qubits ne voient pas des limites, ils voient des probabilités. » , Ludo de Luxxe.fr

Pour bien saisir cette différence, imaginons un ordinateur classique et un ordinateur quantique jouant à pile ou face. Un bit classique peut choisir pile ou face, mais jamais les deux à la fois. En revanche, un qubit peut être dans un état de superposition où il est à la fois pile et face en même temps. Cette caractéristique unique est l’un des éléments qui rendent l’ordinateur quantique tellement puissant.

Comprendre les principes clés de l’informatique quantique

La superposition

La superposition est l’un des fondements de l’informatique quantique. Dans un système quantique, un qubit peut exister dans une combinaison de l’état 0 et de l’état 1 simultanément. Ce phénomène se traduit par une capacité de calcul démultipliée par rapport aux ordinateurs classiques. Par exemple, deux bits classiques peuvent représenter les valeurs 00, 01, 10 ou 11 de manière individuelle, alors que deux qubits peuvent être dans une superposition de ces quatre états en même temps.

Ainsi, lorsqu’on utilise plusieurs qubits dans un calcul quantique, le nombre de possibilités augmente exponentiellement, permettant de réaliser des calculs que même les superordinateurs actuels ne peuvent pas exécuter. Cependant, cet état de superposition est fragile et peut facilement être perturbé par des influences extérieures, comme le bruit et la température, menant à un phénomène appelé décohérence.

L’intrication

L’intrication est un autre concept clé. Deux qubits intriqués forment un lien si fort qu’ils restent connectés même lorsqu’ils sont séparés par de grandes distances. Si on mesure l’état de l’un des qubits intriqués, on connaît immédiatement l’état de l’autre, peu importe où il se trouve.

Cette propriété fascinante, qu’Einstein qualifiait de « fantomatique », est au cœur du potentiel des ordinateurs quantiques à réaliser des opérations complexes. L’intrication permet de transférer des informations entre qubits de façon extrêmement rapide et efficace, offrant ainsi des capacités de calcul simultané que les ordinateurs classiques ne peuvent pas égaler.

La décohérence

La décohérence représente l’un des plus grands défis des chercheurs en informatique quantique. Les qubits sont sensibles aux perturbations extérieures. Dès qu’ils interagissent avec leur environnement (lumière, bruit, température), l’état quantique peut « s’effondrer », perdant ainsi la superposition ou l’intrication. Cela signifie que les ordinateurs quantiques nécessitent des conditions très contrôlées, souvent proches du zéro absolu (température proche de -273,15 °C), pour maintenir l’état quantique des qubits.

Les ingénieurs tentent de résoudre ce problème en créant des environnements isolés et des systèmes de correction d’erreurs, mais la décohérence reste un obstacle majeur pour rendre l’informatique quantique plus accessible et stable.

Concepts Clés	Description	Exemples d’Applications
Superposition	État où un qubit peut être 0 et 1 simultanément, augmentant la capacité de calcul	Recherche d’optimisations en finance
Intrication	Deux qubits liés gardent une connexion même à distance, permettant un transfert rapide d’informations	Cryptographie quantique
Décohérence	Perte de l’état quantique due aux perturbations extérieures, demandant des conditions de fonctionnement stables	Isolation thermique pour ordinateurs quantiques

Comment les qubits sont-ils créés et maintenus ?

Les qubits peuvent être créés de différentes manières, en utilisant des ions piégés, des particules de lumière (photons) ou même des supraconducteurs. Dans certains systèmes, des atomes individuels sont suspendus par des champs électromagnétiques, tandis que d’autres exploitent les propriétés quantiques de particules subatomiques. IBM et Google utilisent majoritairement des qubits supraconducteurs, basés sur des circuits électriques capables de maintenir des états de superposition et d’intrication. Cependant, chaque technologie a ses propres avantages et limites, et la création de qubits stables reste un domaine de recherche intense.

Pour garder ces qubits dans leur état quantique, les ordinateurs quantiques fonctionnent souvent à des températures extrêmement basses. Par exemple, IBM utilise des réfrigérateurs à dilution pour refroidir leurs qubits à des températures proches du zéro absolu, afin de minimiser la décohérence et d’augmenter la durée pendant laquelle les qubits restent utilisables pour les calculs.

Les algorithmes quantiques et leur potentiel

Les ordinateurs quantiques ne fonctionnent pas de la même manière que les ordinateurs classiques, ce qui signifie qu’ils nécessitent des algorithmes spécifiques, appelés algorithmes quantiques. Ces algorithmes sont conçus pour tirer parti de la superposition et de l’intrication afin de résoudre des problèmes autrement inaccessibles.

L’algorithme de Shor

L’un des algorithmes les plus connus est l’algorithme de Shor, développé par le mathématicien Peter Shor en 1994. Cet algorithme permet de factoriser de grands nombres de manière exponentiellement plus rapide qu’un ordinateur classique. Cette capacité pourrait avoir des impacts significatifs sur la cryptographie, car de nombreux systèmes de sécurité actuels reposent sur la difficulté de factoriser de grands nombres. Avec un ordinateur quantique suffisamment puissant, l’algorithme de Shor pourrait, théoriquement, briser ces codes.

L’algorithme de Grover

Un autre algorithme quantique célèbre est l’algorithme de Grover, utilisé pour la recherche dans des bases de données non structurées. Cet algorithme permet de réduire de façon significative le temps nécessaire pour rechercher des informations dans de grandes bases de données, même si cette réduction n’est pas aussi spectaculaire que celle de l’algorithme de Shor pour la factorisation.

Ces algorithmes montrent bien le potentiel de l’informatique quantique, mais ils illustrent aussi un point clé : les ordinateurs quantiques ne remplaceront pas les ordinateurs classiques pour toutes les tâches. Ils sont spécifiquement conçus pour résoudre des problèmes complexes où l’informatique classique atteint ses limites.

Les défis à surmonter pour démocratiser l’informatique quantique

La commercialisation des ordinateurs quantiques est encore limitée par plusieurs facteurs. En plus de la décohérence, il reste des problèmes d’ingénierie, de production et de coût. Les laboratoires de recherche doivent faire face à la complexité technique et au coût de refroidissement, ainsi qu’à la gestion des erreurs, encore très fréquentes.

Cependant, de nombreux acteurs, y compris des entreprises comme IBM, Google et des startups spécialisées, travaillent sur des solutions viables. De plus, les avancées en technologies supraconductrices et en électronique quantique offrent des pistes prometteuses. Il est probable que l’on voit apparaître des ordinateurs quantiques à usage spécifique dans les domaines de la recherche scientifique, de la finance et de l’optimisation industrielle avant de les voir devenir accessibles au grand public.

FAQ

Qu’est-ce qu’un qubit ?

Un qubit est l’unité de base d’information en informatique quantique, capable de représenter simultanément 0 et 1 grâce à la superposition d’états. Il diffère ainsi fondamentalement d’un bit classique, qui ne peut être que dans l’état 0 ou l’état 1 à un instant donné.

En quoi un ordinateur quantique est-il différent d’un ordinateur classique ?

Un ordinateur quantique repose sur les lois de la mécanique quantique, exploitant des phénomènes tels que la superposition et l’intrication pour effectuer des calculs. Ces principes lui permettent d’exécuter des opérations bien plus rapides et puissantes que les ordinateurs classiques, mais sur certains types de problèmes uniquement.

À quoi sert l’informatique quantique ?

L’informatique quantique est utilisée pour résoudre des problèmes complexes dans des domaines comme la chimie, la physique, la cryptographie et l’optimisation, où les ordinateurs classiques montrent des limites. Ces calculs avancés permettent des découvertes et des solutions impossibles autrement.

Pourquoi les ordinateurs quantiques nécessitent-ils des températures extrêmement basses ?

Les qubits sont sensibles aux perturbations extérieures, et des températures proches du zéro absolu aident à minimiser ces perturbations, évitant ainsi la décohérence. Cela permet aux qubits de maintenir leur état quantique pendant les calculs.

L’informatique quantique remplacera-t-elle les ordinateurs classiques ?

Non, l’informatique quantique ne vise pas à remplacer les ordinateurs classiques pour toutes les tâches. Elle est conçue pour des applications spécialisées et complexes, où les ordinateurs classiques sont limités, et viendra en complément pour des calculs spécifiques, notamment en sciences et en optimisation.