Toute l'information traitée par un ordinateur (comme celui que vous utilisez actuellement) est traitée sous forme de bits – des unités élémentaires d'information qui peuvent être à l'un des deux états. Ces états sont généralement appelés 0 et 1. Toute l'information sur votre ordinateur est stockée de manière codée sous forme de longues séquences de zéros et de uns. Par exemple, une séquence de trois bits permet de stocker huit combinaisons différentes et peut donc représenter huit numéros (lettres, villes, etc.) différents : 000=0, 001=1, 010=2, 011=3, 100=4, 101=5, 110=6 et 111=7. Dans un ordinateur quantique, la situation est fondamentalement plus riche. Pour pouvoir, l'expliquer nous devons reconnaître que tout appareil informatique stocke l'information non pas de manière abstraite, mais plutôt sous une forme physique concrète : par exemple, l'emplacement des billes sur un abaque, le courant électrique passant par un transistor dans un ordinateur standard ou les impulsions électriques se déplaçant le long des neutrons dans votre cerveau. Dans un ordinateur traditionnel, l'état 0 peut être perçu comme le transistor en état « d'arrêt » (hors tension) et l'état 1 comme l'état de « marche » (sous tension). L'information est donc physique et, en tant que tel, son traitement est sujet aux lois de la physique. Les ordinateurs standards sont en effet basés sur les lois de la physique quantique. Les transistors sont des dispositifs quantiques, mais ils sont généralement trop grands pour être en mesure d'exploiter le plein potentiel de l'étrangeté quantique qui se manifeste à l'échelle des atomes et des particules subatomiques. Cependant, la technologie d'aujourd'hui est tellement avancée que nous sommes en mesure de construire et de manipuler des dispositifs à l'échelle atomique. Cela veut dire que nous avons le potentiel pour créer des ordinateurs qui stockent et traitent l'information d'une manière entièrement quantique. Par exemple, un électron est un « dispositif » purement quantique remarquable qui se comporte en quelque sorte comme un petit aimant droit en rotation perpétuelle. Placé dans le champ d'un autre aimant, il comporte deux états naturels : aligné ou opposé au champ. Nous appelons ces deux états surgyration et dégyration. Ainsi, l'électron peut être utilisé pour stocker un bit d'information, par exemple dégyration = 0 et surgyration = 1. Jusqu'à cette étape, le système fonctionne de la même façon qu'un ordinateur ordinaire, sauf que l'information est stockée dans un espace incroyablement petit. Il peut s'agir, par exemple, des électrons dans les atomes, ainsi chaque bit d'information occupe le même espace qu'un atome qui est beaucoup plus petit que les médias de stockage traditionnels tels que le disque dur de votre ordinateur. Passons donc à la « magie » quantique. Nous avons déjà montré que l'une des caractéristiques bizarres du monde quantique est qu'une seule particule peut se comporter comme si elle était à plus d'un endroit au même moment. Cela est une propriété générale du monde quantique – les choses qui peuvent exister simultanément en plusieurs états – appelée le principe de superposition (voir structures quantiques). Dans le cas de l'électron, il peut exister à la fois dans les états de surgyration et de dégyration simultanément. En d'autres mots, plutôt que de présenter l'état 0 ou 1, il peut présenter les états 0 et 1 simultanément. En quoi cela peut-il nous aider? Si nous avons, par exemple, trois « bits quantiques » ou « qubits », plutôt que de présenter uniquement les états 000 ou 001 ou 010, etc. (les huit possibilités indiquées ci-dessus), ils peuvent, dans un certain sens, être dans tous ces états simultanément. Il est alors possible de manipuler ces qubits, à l'aide des lois de la physique quantique, de manière à effectuer des calculs multiples simultanément : un ordinateur quantique parallèle. Ce parallélisme quantique a comme résultat une puissance de calcul qui croît de manière exponentielle, doublant avec chaque qubit supplémentaire. Ajouter 1 qubit augmente la puissance du calcul par un facteur de 2. Ajouter 2 qubits l'augmente de 4. Ajouter 3 qubits l'augmente de 8, et ainsi de suite. Avec à peine une centaine de qubits, la puissance de calcul brute dépasserait de loin tout ce que nous pourrions espérer atteindre en utilisant un ordinateur traditionnel. Cependant, il faut savoir comment ces qubits sont « manipulés », ce qui représente l'analogie quantique d'un programme informatique traditionnel et qui dit à l'ordinateur quel type de calcul effectuer. Nous sommes actuellement en mesure de demander à un ordinateur quantique de résoudre plusieurs types de problèmes, bien que ces problèmes soient certainement d'une très grande importance pratique. L'un de ces problèmes consiste à savoir présenter un très grand nombre donné comme le produit de nombres premiers. Il est au cœur de l'une des méthodes de chiffrement les plus utilisées. Grâce à un ordinateur quantique fonctionnant, nous pourrions facilement déchiffrer les messages circulant sur l'Internet entre les banques, les gouvernements et ainsi de suite. (Cependant, même un ordinateur quantique ne peut être utilisé pour faire de la surveillance électronique lorsque le procédé de cryptographie quantique, discuté ci-dessus, est employé!) Les physiciens et les mathématiciens théoriques travaillent actuellement avec acharnement à ce que les types de problèmes que l'ordinateur quantique pourrait résoudre soient plus nombreux. Il existe aussi un nombre de défis expérimentaux dont le plus important est, comme nous l'avons montré au cours de notre discussion de la cryptographie quantique, que l'information quantique, stockée en superposition dans des états intriqués, est très délicate, et peut facilement être détruite par des influences extérieures. Dans l'idéal, un ordinateur quantique doit être parfaitement isolé de son environnement pendant qu'il effectue des calculs quantiques parallèles. Bien entendu, en pratique, cela n'est pas possible, ce qui produit des erreurs de calcul aléatoires. Néanmoins, les physiciens et les informaticiens ont utilisé la théorie classique de la correction d'erreur tolérante aux pannes (nécessaire pour stabiliser les calculs traditionnels, effectués dans des environnements instables ou fonctionnant pendant de très longues périodes de temps), pour développer un ensemble de techniques qui nous permettra de protéger l'information quantique des erreurs réelles. Ces techniques requièrent un bon contrôle (qui n'est cependant pas parfait) d'un système quantique et les physiciens et les ingénieurs expérimentaux du monde entier travaillent actuellement à développer des ordinateurs quantiques qui seraient suffisamment robustes pour fonctionner dans le monde réel. Les ordinateurs quantiques sont actuellement un concept plutôt théorique, bien que de très simples versions expérimentales aient déjà été construites. Une fois que les physiciens expérimentaux auront réussi à bâtir de grands ordinateurs quantiques, nous devrions être en mesure d'exploiter l'étrangeté du monde quantique afin d'effectuer, en quelques secondes, certains types de calculs qui prendraient des milliers d'années à un ordinateur standard. De tels efforts visant à exploiter le monde quantique pour créer des technologies puissantes et pratiques, amènent les physiciens à réfléchir davantage sur la façon dont l'univers fonctionne, les fondements de la théorie quantique, qui pourraient nous aider à résoudre le problème le plus important : combiner la théorie quantique avec la théorie de la relativité en une seule théorie unifiée de la gravité quantique. Pour en apprendre davantage sur les études de l'information quantique à l'Institut Perimeter et ses chercheurs, veuillez cliquer ici. |
