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"Le nouveau livre intitulé « Schrödinger’s Web » (La toile de Schrödinger) présente un aperçu de l’Internet quantique" par Dan Garisto

Traduction et compléments de Jacques Hallard

vendredi 23 octobre 2020, par Garisto Dan



ISIAS Physique quantique Numérique

Le nouveau livre intitulé « Schrödinger’s Web » (La toile de Schrödinger) présente un aperçu de l’Internet quantique avec des informations divertissantes sur la physique de la lumière et sur les technologies quantiques

Ajout de documents sur la physique, la mécanique, l’informatique, les réseaux, la cryptographie, les ordinateurs et les calculateurs qualifiés de quantiques, sélectionnés par
Jacques Hallard

L’article d’origine de Dan Garisto a été publié le 28 septembre 2020 par Science News sous le titre « ‘Schrödinger’s Web’ offers a sneak peek at the quantum internet  » et il est accessible sur ce site : https://www.sciencenews.org/article/book-schrodingers-web-offers-sneak-peek-quantum-internet - Une version de cet article est parue dans le numéro du 26 septembre 2020 de la revue « Science Newx’.

Abstract polygonal background

À l’avenir, les réseaux d’ordinateurs quantiques pourraient transmettre des photons intriqués entre eux, formant un Internet quantique analogue à notre Internet classique. Andrey Tolkachev / iStock / Getty Images Plus.

Cover of Schrödinger’s Web

Schrödinger’s Web Jonathan P. Dowling CRC Press, $40.95

Lorsque la nouvelle a éclaté l’année dernière selon laquelle l’ordinateur quantique de Google Sycamore avait effectué un calcul plus rapidement que les supercalculateurs les plus rapides ne le pouvaient (SN : 16/12/19), c’était la première fois que de nombreuses personnes entendaient parler d’un ordinateur quantique. [Voir « Avec son ordinateur quantique, ‘Sycamore’ de Google a-t-il vraiment atteint la « suprématie quantique » ? ].

Les ordinateurs quantiques, qui exploitent les étranges probabilités de la mécanique quantique, peuvent s’avérer révolutionnaires. Ils ont le potentiel d’atteindre une accélération exponentielle par rapport à leurs homologues classiques, du moins lorsqu’il s’agit de résoudre certains problèmes. Mais pour l’instant, ces ordinateurs en sont encore à leurs balbutiements, utiles pour seulement quelques applications, tout comme les premiers ordinateurs numériques l’étaient dans les années 1940. Un livre sur le réseau de communication qui reliera les ordinateurs quantiques - l’Internet quantique - n’est-il donc pas un peu en avance sur lui-même ?

Étonnamment, non. Comme le physicien théoricien Jonathan Dowling l’indique clairement dans son live « Schrödinger’s web », les premières versions de l’Internet quantique sont déjà là - par exemple, la communication quantique a lieu entre Pékin et Shanghai via des câbles à fibre optique depuis 2016 - et d’autres arrivent rapidement. Le moment est donc idéal pour lire ce livre.

[Jonathan P. Dowling (3 avril 1955 - 5 juin 2020) était un chercheur et professeur irlandais-américain en physique théorique, connu pour ses travaux sur la technologie quantique, en particulier pour l’exploitation de l’intrication quantique (sous la forme d’un état NOON) pour des applications à métrologie quantique, détection quantique et imagerie quantique. Photo : Jonathan P. Dowling in 2010 - Traduit par JH de la source : https://en.wikipedia.org/wiki/Jonathan_Dowling ].

[Voir aussi Schéma rapide et simple pour la génération d’états NOON de photons dans le circuit QED - Octobre 2020].

Jonathan P.Dowling, qui a contribué à la création du programme d’informatique quantique du gouvernement américain dans les années 1990, est le guide parfait. Armé d’une réserve apparemment sans fin d’anecdotes scandaleuses, d’analogies mémorables, de jeux de mots et de plaisanteries, il rend les détails théoriques épineux de l’internet quantique à la fois divertissants et accessibles.

Les lecteurs souhaitant plonger directement dans les détails de l’Internet quantique devront être patients. « Les photons sont les particules qui alimenteront l’Internet quantique, alors nous ferions mieux de nous assurer de savoir ce qu’ils sont », écrit Jonathan P.Dowling. En conséquence, le premier tiers du livre est un aperçu historique de la lumière, de l’idée de Newton au 17e siècle en tant que « corpuscules » aux expériences sondant la réalité quantique des photons, ou particules de lumière, à la fin du 20e siècle.

[Selon Wikipédia, « Photon – Photo : photons émis dans les faisceaux cohérents parallèles de six lasers. Le photon est le quantum d’énergie associé aux ondes électromagnétiques (allant des ondes radio aux rayons gamma en passant par la lumière visible), qui présente certaines caractéristiques de particule élémentaire. En théorie quantique des champs, le photon est la particule médiatrice de l’interaction électromagnétique. Autrement dit, lorsque deux particules chargées électriquement interagissent, cette interaction se traduit d’un point de vue quantique comme un échange de photons. L’idée d’une quantification de l’énergie transportée par la lumière a été développée par Albert Einstein en 1905, à partir de l’étude du rayonnement du corps noir par Max Planck, pour expliquer l’effet photoélectrique qui ne pouvait pas être compris dans le cadre d’un modèle ondulatoire classique de la lumière, mais aussi par souci de cohérence théorique entre la physique statistique et la physique ondulatoire3. La découverte de l’effet Compton en 1923, donnant également des propriétés corpusculaires à la lumière, et l’avènement de la mécanique quantique et de la dualité onde-corpuscule amènent à considérer ce quantum comme une particule, nommée photon en 1926. Les photons sont des « paquets » d’énergie élémentaires, ou quanta de rayonnement électromagnétique, qui sont échangés lors de l’absorption ou de l’émission de lumière par la matière. De plus, l’énergie et la quantité de mouvement (pression de rayonnement) d’une onde électromagnétique monochromatique sont égales à un nombre entier de fois celles d’un photon. Le concept de photon a donné lieu à des avancées importantes en physique expérimentale et théorique, telles que les lasers, les condensats de Bose-Einstein, l’optique quantique, la théorie quantique des champs et l’interprétation probabiliste de la mécanique quantique. Le photon est une particule de spin égal à 1, c’est donc un bosonnote 2, et sa masse serait nulle ou en tout cas inférieure à environ 5×10-19meV/ c 2 \displaystyle c^2 c2. L’énergie d’un photon de lumière visible est de l’ordre de 2 eV, ce qui est extrêmement faible : un photon seul est invisible pour l’œil d’un animal et les sources de rayonnement habituelles (antennes, lampes, laser, etc…) produisent de très grandes quantités de photons, ce qui explique que la nature « granulaire » de l’énergie lumineuse soit négligeable dans de nombreuses situations étudiées par la physique. Il est cependant possible de produire des photons un par un grâce aux processus suivants : transition électronique ; transition nucléaire ; annihilation de paires particule-antiparticule… » - Article complet sur : https://fr.wikipedia.org/wiki/Photon

Suite de l’article traduit

Dans le livre de Jonathan P. Dowling, il y a quelques petites inexactitudes historiques - la section sur le physicien danois Hans Christian Ørsted répète un conte apocryphe sur sa découverte « fortuite » du lien entre l’électricité et le magnétisme - et les notes de bas de page s’appuient trop sur Wikipédia. Mais Jonathan P.Dowling accomplit ce qu’il se propose de faire : aider les lecteurs à développer une compréhension de la nature quantique de la lumière.

[Hans Christian Ørsted (14 août 1777 à Rudkøbing9 mars 1851 à Copenhague), parfois écrit Œrsted, est un physicien et chimiste danois. Il est à l’origine de la découverte de l’interaction entre électricité et magnétisme… »].

Tout comme le livre de Jonathan P.Dowling sur les ordinateurs quantiques paru en 2013, « Schrödinger’s Killer App », son livre « Schrödinger’s Web » martèle les vérités non intuitives au cœur de la mécanique quantique. Par exemple, la clé de l’Internet quantique est l’intrication - cette « action effrayante à distance » dans laquelle les particules sont liées à travers le temps et l’espace, et la mesure des propriétés d’une particule révèle instantanément les propriétés de l’autre. Deux photons, par exemple, peuvent être intriqués afin qu’ils aient toujours la polarisation opposée, ou l’angle d’oscillation.

À l’avenir, un utilisateur basé à New York pourrait enchevêtrer deux photons, puis en envoyer un le long d’un câble à fibre optique jusqu’à San Francisco, où il serait reçu par un ordinateur quantique. Parce que ces photons sont intriqués, la mesure de la polarisation du photon de New York révélerait instantanément la polarisation du photon de San Francisco. Cette étrange réalité de l’intrication est ce que l’Internet quantique exploite pour des fonctionnalités soignées, telles que la sécurité inattaquable ; toute écoute indiscrète gâcherait l’enchevêtrement délicat et serait révélée.

Alors que son livre précédent contient des explications plus détaillées de la mécanique quantique, Jonathan P.Dowling trouve encore de nouvelles analogies amusantes, telles que « Fuzz Lightyear », un chien qui court le long d’une superposition, ou combinaison quantique, de deux chemins dans les jardins voisins. Fuzz aide à expliquer l’expérience de choix différé du physicien John Wheeler, qui illustre l’incertitude, l’irréalité et la non-localité du monde quantique. Le chemin de Fuzz est aléatoire, le chien n’existe pas sur un chemin tant que nous ne l’avons pas mesuré, et la mesure d’un chemin semble affecter instantanément la cour dans laquelle Fuzz entre, même s’il est à des années-lumière.

[Voir aussi « John Wheeler, l’un des pères de la cosmologie quantique, est décédé » par Publié le 15/04/2008 - Modifié le 01/01/2020 – « Celui que toute la communauté scientifique mondiale considérait comme le physicien des physiciens, John Archibald Wheeler, vient de décéder à 96 ans d’une pneumonie, le 13 avril 2008. Il avait connu de très près tous les créateurs de la physique du siècle dernier, notamment Bohr et Einstein. Célèbre pour ses spéculations hardies sur les fondements de la physique et le principe anthropique, il fut aussi l’un des architectes de la bombe H américaine… » - Source de l’article complet : https://www.futura-sciences.com/sciences/actualites/physique-john-wheeler-peres-cosmologie-quantique-decede-15261/ ].

Suite de l’article traduit

Les complexités du Web quantique sont conservées pour la fin du livre, et même avec l’aide de Jonathan P.Dowling, les détails ne sont pas pour les âmes sensibles. Les lecteurs apprendront à préparer des tests de Bell pour vérifier qu’un système de particules est enchevêtré (SN : 8/28/15), à naviguer dans la bureaucratie du ministère de la Défense et à envoyer des communications quantiques non piratables avec les protocoles BB84 et E91. Jonathan P.Dowling passe également en revue certains jalons récents dans le développement d’un Internet quantique, comme l’appel vidéo sécurisé quantique de 2017 entre des scientifiques chinois et autrichiens par satellite (SN : 29/09/17).

« Tout comme l’Internet classique, nous ne saurons vraiment pas à quoi sert l’Internet quantique tant qu’il ne sera pas opérationnel », écrit Jonathan P.Dowling, afin que les gens puissent commencer à ’jouer avec’. Certains de ses pronostics semblent improbables. Les gens auront-ils vraiment des ordinateurs quantiques sur leurs téléphones et échangeront-ils des photons intriqués sur l’Internet quantique ?

Jonathan P.Dowling est décédé de façon inattendue en juin 2020 à 65 ans, avant de voir cet avenir se concrétiser. Une fois, lorsque je l’ai interviewé, il a invoqué la première loi d’Arthur C. Clarke [écrivain de science-fiction, écrivain scientifique, futurologue, présentateur télé, explorateur sous-marin et inventeur britannique...] pour justifier pourquoi il pensait qu’un autre scientifique estimé avait tort. « La première loi est que si un scientifique distingué et âgé vous dit que quelque chose est possible, il a très probablement raison », a-t-il déclaré. « S’il vous dit que quelque chose est impossible, il a très probablement tort ».

Jonathan P.Dowling est mort trop tôt pour être considéré comme âgé, mais il a été distingué, et le livre « Schrödinger’s web » présente un argument puissant en faveur de la possibilité d’un Internet quantique.

Autres lectures sur ce sujet :

Quantum computers are about to get realBy Emily Conover June 29, 2017

Scientists entangled quantum memories linked over long distancesBy Emily Conover February 12, 2020

Google claimed quantum supremacy in 2019 — and sparked controversyBy Emily Conover December 16, 2019

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Les articles étiquetés ‘Quantique’ et postés antérieurement sur notre site ISIAS sont accessibles à partir de là : http://isias.lautre.net/spip.php?page=recherche&recherche=quantique

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Annexe


Ajout de documents sur la physique, la mécanique, l’informatique, les réseaux, la cryptographie, les ordinateurs et les calculateurs qualifiés de quantiques.


Contenu des documents ajoutés :

1. Introduction à la physique quantique selon Wikipédia

2. Glossaire des termes qualifiés de quantique par Wikipédia

3. Sept idées fausses sur la physique quantique par Julien Bobroff

4. La mécanique quantique pour les nuls - Paris Match

5. Quantique : histoire d’une étrange théorie – Document ‘science-et-vie.com’

6. Sciences - Physique quantique : cette expérience remet-elle en question notre réalité ? (Lire la bio) Emma Hollen Journaliste scientifique - Publié le 30/08/2020 – Document ‘futura-sciences.com’

7. La physique quantique, késako ? [Comment ça marche ?] Vidéo 5:40 - 22 mai 2019 - CEA Recherche

8. Physique quantique : au cœur du labo [Reportage] Vidéo 11:33 - 07 janvier 2020 - CEA Recherche

9. La mécanique quantique en 7 idées Vidéo 19:22 - 02 octobre 2015 - ScienceEtonnante

10. Physique quantique : des surprises en perspective Vidéo 1:34:14 - 23 avril 2020 - Palais de la découverte

11. Mise à jour scientifique et technique – « Tout est quantique »

12. Qu’est-ce que l’internet quantique ? Tout ce que vous devez savoir sur l’étrange avenir des réseaux quantiques - Par Daphne Leprince-Ringuet

13. L’Informatique quantique – Introduction selon Wikipédia

14. Un réseau informatique quantique à l’échelle planétaire serait bientôt possible selon les résultats d’une recherche - Le 26 décembre 2018 à 20:36, par Bill Fassinou – Document ‘developpez.com’

15. Des chercheurs russes accélèrent le Quantum Computing grâce à un réseau de neurones quantique - 13 août 2020 – Document ‘1001rss.com/’

16. Introduction à la Cryptographie quantique selon Wikipédia

17. La Cryptographie quantique selon Charles H. Bennett / Futura Sciences

18. Ordinateurs quantiques, protocoles et algorithmes de calculs quantiques –Documents ‘utinam.cnrs.fr’

19. Réseau quantique - Quantum network - Un article de Wikipédia, l’encyclopédie libre - 16 septembre 2020

20. Le Calculateur quantique décrit par Wikipédia

21. L’ Ordinateur quantique - Interview de Claude Aslangul par Laurent Sacco Journaliste – Document ‘futura-sciences.com’ - Lire la bio

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1.
Introduction à la physique quantique selon Wikipédia

Max Planck est considéré comme le père de la physique quantique. La constante de Planck, h \displaystyle h , joue un rôle central dans la physique quantique, bien au-delà de ce qu’il imaginait lorsqu’il l’a introduite.

La physique quantique est l’appellation générale d’un ensemble de théories physiques nées au XXe siècle qui décrivent le comportement des atomes et des particules et permettent d’élucider certaines propriétés du rayonnement électromagnétique.

Comme la théorie de la relativité, les théories dites « quantiques » marquent une rupture avec ce que l’on appelle maintenant la physique classique, qui regroupe les théories et principes physiques connus au XIXe siècle — notamment la mécanique newtonienne et la théorie électromagnétique de Maxwell —, et qui ne permettait pas d’expliquer certaines propriétés physiques.

La physique quantique recouvre l’ensemble des domaines de la physique où l’utilisation des lois de la mécanique quantique est une nécessité pour comprendre les phénomènes en jeu. La mécanique quantique est la théorie fondamentale des particules de matière constituant les objets de l’univers et des champs de force animant ces objets…

Article complet à lire sur ce site : https://fr.wikipedia.org/wiki/Physique_quantique

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2.
Glossaire des termes qualifiés de quantique par Wikipédia

Traitement d’événements physiques ou théoriques se passant à l’échelle subatomique

  • Électrodynamique quantique, théorie physique ayant pour but de concilier l’électromagnétisme avec la mécanique quantique en utilisant un formalisme lagrangien relativiste ;
  • État quantique, un système quantique peut être dans plusieurs états à la fois, les mesures peuvent donner plusieurs résultats différents, chaque résultat étant associé à sa probabilité d’apparaître lors de la mesure ;
  • Formulaire de physique quantique, expression de quelques observables ;
  • Gravitation quantique à boucles, tentative de formuler, sans espace de référence, une théorie de la gravitation quantique et d’unifier la théorie de la relativité générale et les concepts de la physique quantique ;
  • Gravité quantique, branche de la physique théorique tentant d’unifier la mécanique quantique et la relativité générale ;
  • Intrication quantique, phénomène dans lequel deux particules (ou groupes de particules) forment un système lié et présentent des états quantiques dépendant l’un de l’autre quelle que soit la distance qui les sépare ;
  • Logique quantique, base de raisonnements et conclusions en accord avec les postulats de la mécanique quantique ;
  • Mécanique quantique, branche de la physique qui étudie et décrit les phénomènes fondamentaux à l’œuvre dans les systèmes physiques, plus particulièrement à l’échelle atomique et subatomique ;
  • Mécanique quantique relativiste, théorie qui tente de marier les postulats de la mécanique quantique non-relativiste et le principe de relativité restreinte ;
  • Mousse quantique, conceptualisation de la nature de la structure infime du « matériau » dont l’univers est constitué ;
  • Nombre quantique, ensembles de nombres définissant l’état quantique d’un système ;
  • Optique quantique, ensemble des expériences dans lesquelles la lumière ou l’interaction entre lumière et matière doivent être quantifiées. C’est un domaine de recherche en plein essor, à la frontière entre la mécanique quantique et l’optique ;
  • Physique quantique, appellation générale d’un ensemble de théories physiques nées au XXe siècle ;
  • Théorie quantique des champs , approche en physique théorique pour construire des modèles décrivant l’évolution des particules , en particulier leur apparition ou disparition lors des processus d’interaction.
    Utilisation de l’adjectif par extrapolation ou au figuré
  • Esprit quantique, hypothèse qui suggère que des phénomènes quantiques sont impliqués dans le fonctionnement du cerveau en particulier dans l’émergence de la conscience ;
  • Informatique quantique, sous-domaine de l’informatique qui traite des calculateurs quantiques utilisant des phénomènes de la mécanique quantique par opposition à ceux de l’électricité exclusivement ;
  • Porte quantique, une porte quantique ou porte logique quantique est un circuit quantique élémentaire opérant sur un petit nombre de qubits ;
  • Simulateur quantique, classe restreinte d’ordinateur quantique contrôlant les interactions entre des bits quantiques de manière à pouvoir simuler certains problèmes quantiques.
    La dernière modification de cette page a été faite le 16 avril 2020 à 11:33. Article complet à lire sur ce site : https://fr.wikipedia.org/wiki/Quantique

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3.
Sept idées fausses sur la physique quantique par Julien Bobroff

31 mars 2019, 21:12 CEST - Auteur : Julien Bobroff(photo) Physicien, Professeur des Universités, Université Paris-Saclay - Déclaration d’intérêts - Julien Bobroff est l’auteur de « Mon grand mécano quantique » cité dans l’article. Document ‘theconversation.com’

Illustration - Une conférence grand public sur la physique quantique. Héloïse Chochois, « Infiltrée chez les physiciens », coll. « La physique autrement »

Depuis de nombreuses années, je vulgarise la physique quantique, mon domaine de recherche. La « quantique » fascine le grand public. Elle intimide aussi. Les vulgarisateurs en jouent d’ailleurs parfois. Les couvertures de revues et de livres exploitent souvent son côté mystérieux : « L’ultime secret de la physique quantique enfin dévoilé », « La vie serait quantique ! », « On pense tous quantique »… Tout cela n’est pas sans conséquence. De nombreuses fausses idées se propagent sur ce domaine de la physique. Je vous en propose sept parmi celles que j’entends le plus souvent, sept idées qui entretiennent des mythes mais ne résistent pas à l’épreuve des faits.

Rassurez-vous, pas besoin de s’y connaître en physique quantique pour lire ce qui suit, puisque je vous dirai plutôt ce que la quantique… n’est pas !

1. « La quantique, c’est le monde de l’incertitude »

C’est faux ! La physique quantique est actuellement probablement la discipline scientifique la plus précise que l’humanité ait jamais conçue. Elle est capable de prévoir certaines propriétés avec une précision de 10 chiffres après la virgule, ensuite vérifiée par l’expérience précisément ! C’est le cas par exemple des mesures de constante de structure fine, ou d’effet Hall quantique. À titre de comparaison, cela reviendrait à être capable, lors d’une épreuve de saut en longueur, de prévoir en observant juste la course et l’élan d’un athlète où il va atterrir au milliardième de mètre près !

Illustration - Le principe d’incertitude. Margaux Khalil, Janet Rafner, coll., _La physique autrement_

Cette fausse idée vient entre autres du « principe d’incertitude » d’Heisenberg, une notion souvent mal vulgarisée qui laisse penser à tort que la quantique n’est pas précise. Ce principe, qu’Heisenberg lui-même préférait appeler « principe d’indétermination », montre qu’il existe une limite à la précision de la mesure de deux quantités en même temps, par exemple la vitesse et la position d’une particule. Sans rentrer dans les détails, cette indétermination vient un peu de la même raison qui fait qu’il est difficile de dire précisément où se trouve une vague dans la mer, vu qu’elle est forcément un peu étalée. Mais si on utilise la physique quantique pour calculer d’autres quantités, comme l’énergie des atomes, ou leur magnétisme, elle est alors d’une redoutable précision. Il faut juste bien choisir ce que l’on veut prédire.

2. « Pas possible de représenter la quantique en images »

La physique quantique décrit des objets souvent « bizarres » et difficiles à illustrer : fonctions d’onde, superpositions d’état, probabilités de présence, nombres complexes… Souvent, on entend dire qu’ils ne sont compréhensibles qu’avec des équations et des symboles mathématiques. Pourtant, dés qu’on l’enseigne ou qu’on la vulgarise, nous, physiciens, n’avons de cesse de la représenter, à l’aide de courbes, de tracés, de métaphores, de projections… C’est bien simple : je ne connais pas de cours de quantique sans images. Certains livres sont même entièrement consacrés à la mise en image de la quantique. Et heureusement, car les images sont nécessaires à l’étudiant et même au physicien aguerri pour se faire une représentation mentale des objets qu’il manipule. Si l’on interroge les chercheurs du domaine, ils reconnaissent eux-mêmes « imaginer » la matière quantique.

Illustration - Les pliages permettent d’imaginer ce que pourrait être les particules quantiques. Pliages quantiques, Cyril Conton, coll., _La physique autrement_

Le point qui fait débat, c’est la rigueur de ces images : il est en effet difficile de représenter rigoureusement un objet quantique. Mais n’est-ce pas le cas dans bien des champs de la science ? Une image d’atomes par un microscope à effet tunnel n’est qu’une représentation du courant tunnel impliquant de nombreux choix arbitraires, les couleurs, les ombres, etc..

Dans notre équipe de recherche « La physique autrement », nous travaillons justement à cette question de la représentation. Nous travaillons avec des designers, des illustrateurs, des vidéastes, pour « dessiner » la quantique sous toutes ses formes : pliages, bande-dessinées, sculptures, animations 3D… À titre d’exemple, nous avons conçu une série de petites animations qui peuplent maintenant les articles de Wikipédia, les conférences et les cours, alors qu’elles ne sont pas totalement rigoureuses. Mais elles donnent à voir au grand public quelques effets clé : dualité, superposition, quantification… et produisent donc bien des images de quantique.

Illustration - Un bel objet pour imaginer une fonction d’onde quantique. Paul Morin, coll., ENSCI-Les Ateliers et _La physique autrement_

3. « Les scientifiques eux-mêmes ne comprennent pas bien la quantique »

Richard Feynman, un des plus grands noms du domaine, n’a-t-il pas dit lui-même : « Je pense pouvoir dire sans trop me tromper que personne ne comprend la mécanique quantique » ? Mais il ajoute juste après : « Je vais vous dire comment la nature se comporte ». Tout est dans le « comment » : Feynman comprend très bien « comment » la quantique fonctionne, il a même eu un prix Nobel pour cela, mais pas le « pourquoi ». Et pour la quantique, ce « comment » est particulièrement surprenant pour tout physicien habitué à la mécanique classique. Niels Bohr, un des pères fondateurs du domaine, résume bien la situation : « Quiconque n’est pas choqué par la théorie quantique ne la comprend pas. »

Les physiciens comprennent donc ce qu’ils font quand ils manipulent le formalisme quantique. Ils doivent juste « adapter » leurs intuitions à ce nouveau champ et à ses paradoxes. Ce n’est d’ailleurs pas spécifique à la quantique. L’électromagnétisme au XIXe siècle a dû chambouler bien des scientifiques, quand il leur a fallu admettre qu’ils baignaient dans des ondes invisibles se propageant comme la lumière, faites d’électricité et de magnétisme. Même histoire avec la courbure de l’espace-temps de la relativité générale.

4. « La quantique a été conçue de toutes pièces par quelques théoriciens géniaux »

Toute l’histoire de la physique démontre l’inverse : au tout départ, il n’y a pas une théorie brillante jaillie du cerveau d’un physicien, mais plutôt des expériences menées en laboratoire qui présentent des résultats inattendus. Puis, et seulement ensuite, des théoriciens se penchent sur ces résultats, cherchent à les comprendre, et vont mettre en place de nouveaux concepts, utiliser de nouveaux outils…

La physique quantique n’échappe pas à la règle : au tout départ, il y a quelques expériences qu’on ne comprend pas, l’effet photoélectrique, le rayonnement du corps noir, le spectre lumineux des atomes. Puis viennent les théoriciens géniaux, Albert Einstein, Max Planck, Niels Bohr, qui comprennent que ces expériences révèlent en fait la nature quantique de la lumière et de l’atome. Puis encore quelques expériences fondamentales, des électrons qui rebondissent bizarrement sur du nickel, des atomes d’argent étrangement déviés par un champ magnétique, un métal qui conduit parfaitement à basse température… Et ensuite à nouveau des théories et des concepts, la dualité, le spin, la supraconductivité.

La physique se construit dans ces aller-retour fertiles entre expérimentateurs et théoriciens, et les expériences viennent souvent en premier, sauf rares exceptions (par exemple la prédiction de l’antimatière ou du boson de Higgs). Dans un petit livre que je viens d’écrire, « Mon grand mécano quantique », je raconte ainsi onze de ces expériences clés de l’histoire de la quantique, et comment elles ont suscité des avancées théoriques majeures comme la supraconductivité, découverte en 1911 mais comprise seulement en 1957 !

Illustration - L’invention de la supraconductivité. Crédits : Petites histoires quantiques, Marine Joumard, coll., _La physique autrement_

5. « Einstein a été le pire ennemi de la quantique »

Pauvre Einstein ! On l’affuble souvent du rôle d’opposant acharné de la quantique. Sa célèbre phrase Gott würfelt nicht (« Dieu ne joue pas aux dés ») y est pour beaucoup. Pourtant, non seulement Einstein n’est pas opposé à la quantique, mais mieux : il en est à l’origine ! C’est en 1905, suite aux travaux de Max Planck, qu’il écrit un article fondateur. Il y propose que la lumière est composée de petits corps individuels et quantifiés, les photons. Il recevra même le prix Nobel pour ce travail et non pour sa théorie de la relativité. Ce n’est pas tout. Einstein a écrit plusieurs autres articles majeurs en quantique, par exemple la prédiction de la condensation de Bose-Einstein, ou l’idée de l’émission stimulée qui permettra l’invention des lasers.

Alors pourquoi cette réputation ? Tout vient des débats qu’il a eu avec Niels Bohr, notamment sur la notion d’interprétation et de réalité quantique. La quantique décrit-elle vraiment le monde réel, qui serait alors intrinsèquement probabiliste ? N’y aurait-il pas des variables cachées qui permettraient de mieux comprendre certains des plus grands paradoxes de la quantique ? Ces passionnants débats vont culminer avec un article qu’il écrit en 1935 avec Podolsky et Rosen où il réfute l’idée de non-localité. Plus tard, des expériences d’intrication et de violation des égalités de Bell lui donneront tort et montreront l’absence de variables cachées : Dieu semble finalement bien jouer aux dés… Gardons juste en tête qu’Einstein reconnaissait pleinement la pertinence de la physique quantique pour décrire le monde à petite échelle, qu’il admirait la justesse de ses prédictions, mais qu’il avait juste des soucis avec certaines de ses implications, notamment liées à la notion de localité.

6. « La quantique ne sert à rien »

Comme toute recherche fondamentale, la physique quantique n’a pas à se « justifier » d’être utile. Comprendre comment fonctionne le monde à l’échelle de l’atome a été, à mon avis, une des plus grandes conquêtes de l’esprit humain, même si cela ne devait finalement servir à rien ! Mais rassurez-vous, la quantique est probablement la discipline la plus utile de la physique moderne. Car une fois que les physiciens ont compris le fonctionnement de la lumière, des atomes et des électrons, ils ont été capables les manipuler. Ils sont ainsi passés du stade de la compréhension à celui de l’invention. Le laser est souvent cité comme magnifique exemple d’invention quantique. Mais il n’est pas seul : l’IRM dans les hôpitaux, les diodes électroluminescentes (LED), les mémoires flash, les disques durs, tous ont été inventés par des physiciens de la quantique.

Illustration - Les lasers, les trains à lévitation, ou l’IRM, des applications de la quantique. Mon grand mécano quantique, Marine Joumard, Ed. Flammarion

Mieux encore, le transistor, ce petit composant qui se niche dans tous les microprocesseurs au cœur de vos smartphones et ordinateurs préférés, ce transistor à l’origine de la révolution numérique a été inventé par trois physiciens de la quantique, William Shockley, John Bardeen et Walter Brattain. Et de nombreux chercheurs et ingénieurs travaillent à concevoir aujourd’hui, en laboratoire, les inventions quantiques du futur, comme les ordinateurs quantiques, mais aussi de nouvelles cellules photovoltaïques, des composants thermoélectriques, de nouvelles sources de lumière ou de nouvelles méthodes pour les télécommunications.

7. « La quantique pourrait expliquer certaines médecines alternatives ou autres phénomènes mystérieux »

De nombreuses croyances en des phénomènes paranormaux ou en certaines « médecines » se réclament ou s’inspirent de la physique quantique. Un des plus célèbres défenseurs de cette approche, l’indo-américain Deepak Chopra, a développé une sorte de mysticisme quantique, où il utilise tout un jargon scientifique pour justifier d’une sorte de spiritualité New Age, à coup de « champs énergétiques », « d’onde de probabilité », de « réharmonisation énergétique », ou de « dualité ». Tout cela l’amène à supposer certains liens quantiques entre pensée, conscience, matière et univers.

De même, des « médecines quantiques » proposent des soins en envisageant le corps comme un « champ vibratoire et énergétique », siège d’« états vibratoires » ou bien de « bio-résonances ». Ces « médecines » proposent à la vente tout un appareillage aux noms savants pour « corriger les déséquilibres énergétiques », voire mesurer les « biofeedbacks ».

Deux procédés malhonnêtes sont ici à l’œuvre. D’abord, « faire scientifique », c’est-à-dire légitimer son discours avec des termes scientifiques. Ces pseudosciences exploitent le fait que la quantique semble mystérieuse afin d’expliquer d’autres « mystères ». Mais, nous venons de le montrer, la quantique n’est pas mystérieuse. Elle est vérifiée par l’expérience non seulement en laboratoire mais aussi dans notre quotidien, à l’œuvre quand on allume une prise électrique ou qu’on utilise son smartphone. Alors qu’aucun des phénomènes décrits par ces médecines ou croyances n’a de base scientifique ou n’a pu être vérifié scientifiquement. Et surtout, les mots ont un sens très précis en physique quantique qui n’ont rien à voir avec leur emploi abusif dans ces pseudosciences.

Une autre tricherie consiste à extrapoler à notre échelle les propriétés quantiques. Après tout, notre corps est bien composé d’atomes, qui, eux, sont quantiques, alors pourquoi pas ? Soyons clairs : les propriétés quantiques comme la superposition d’état ou la quantification cessent à notre échelle. On a été capable ces dernières années de le démontrer en laboratoire, grâce à des expériences menées entre autres par Serge Haroche récompensé par le prix Nobel en 2012. Les physiciens ont montré que dès qu’un objet interagit trop avec son environnement et qu’il est trop gros, il cesse d’être quantique. À notre échelle, les « objets » comme le cerveau humain sont donc tout simplement trop volumineux, nos températures terrestres trop élevées, sans compter l’air qui nous entoure, pour qu’un être humain puisse présenter un comportement quantique.

Je ne veux pas pour autant me poser en une sorte de censeur moralisateur qui déciderait le vrai du faux du haut de sa science. Je ne condamne ni ne juge ceux qui veulent tester ces pratiques. Elles relèvent du champ de la croyance, non de la science, et libre à chacun de s’y adonner. Je demande juste d’arrêter de faire croire qu’elles s’appuient sur des bases scientifiques issues de la physique quantique, car c’est tout simplement faux.

Voilà. J’espère, avec cette petite liste, avoir un peu démystifié la physique quantique, un champ scientifique finalement… comme les autres !

Illustration - Une équation qui questionne. Physiciens des solides, Chloé Passavant, coll., _La physique autrement_

Tags : Prix Nobel science technologies physique Albert Einstein physique quantique vulgarisation scientifique

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4.
La mécanique quantique pour les nuls - Paris Match | Publié le 23/02/2019 à 08h00 - Interview Romain ClergeatPhoto : Julien Bobroff, physicien et professeur à l’Université Paris Sud. DR

Dans un ouvrage simple à comprendre, Julien Bobroff, physicien et professeur à l’Université Paris Sud, nous livre les clés pour appréhender à l’échelle atomique le monde qui nous entoure quotidiennement. Ce que l’on voit n’est souvent pas ce que l’on croit…

Paris Match. Richard Feynman, célèbre théoricien de la mécanique quantique, a dit un jour à ses élèves : « Si vous avez compris ce que je viens de vous expliquer, c’est que je me suis mal exprimé ». Pouvez-vous nous résumer ce qu’est la physique quantique ? En espérant ne rien y comprendre donc…

Julien Bobroff. C’est la physique appliquée à petite échelle, celle de l’atome : 1 milliardième de mètre. Ce sont les lois permettant de comprendre comment fonctionne un électron, un grain de lumière, une molécule... Elles ont été découvertes il y a une centaine d’années, à la fois par des théories et des expériences, et n’ont jamais été mises en défaut. Mieux. Ce sont les lois les plus précises jamais inventées en science, permettant de prévoir des phénomènes 10 chiffres après la virgule. Le problème : ces lois échappent à nos intuitions habituelles. Nous vivons dans un monde « classique » : les objets tombent avec de la gravité, ils sont solides, ils sont là ou absents. A l’échelle de l’atome, les comportements sont différents. Il faut donc développer une nouvelle intuition, être très ouvert car on ne « voit » pas avec nos yeux les comportements qui se jouent à l’échelle de l’atome. On n’en a connaissance qu’avec des déductions, des raisonnements et des mesures…

Lire l’article complet sur ce site : https://www.parismatch.com/Culture/Livres/La-mecanique-quantique-pour-les-nuls-1607599 - © Copyright Paris Match 2020. Tous droits réservés. Le site Paris Match est édité par Lagardère Média News

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5.
Quantique : histoire d’une étrange théorie – Document ‘science-et-vie.com’

De 1900 à 1927, des physiciens élaborent une nouvelle théorie, si osée qu’elle frôle le non-sens et remet en question le concept même de réalité. La mécanique quantique bouleversera la pensée de son siècle et du suivant, le nôtre. Voici, en quatre épisodes, l’histoire de la physique quantique.

Une série en 4 épisodes

Mais la théorie colle à la réalité : aucune expérience ne l’a démentie, au contraire ! Et ses étranges propriétés sont une aubaine pour la technologie : aujourd’hui on les exploite pour traiter l’information ou la transférer, par le développement del’ordinateur quantique et de lacryptographie quantique, ou encore pour concevoir une nouvelle génération de capteurs ultra-sensibles – après les lasers et les composants électroniques, qui en sont ses premières applications, dans les décennies 1950-60…

Lire l’article complet sur ce site : https://www.science-et-vie.com/technos-et-futur/quantique-histoire-d-une-bien-etrange-theorie-57370 - © Science-et-vie.com - Tous droits réservés - S’abonner à Science & Vie, c’est suivre les principales découvertes et avancées scientifiques. Je m’abonne.

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6.
Sciences - Physique quantique : cette expérience remet-elle en question notre réalité ? (Lire la bio) Emma Hollen Journaliste scientifique - Publié le 30/08/2020 – Document ‘futura-sciences.com’

Une nouvelle expérience de physique quantique jette un nouveau pavé dans la mare de la réalité objective. Afin de ne pas laisser en reste ceux de nos lecteurs qui ne seraient pas familiers avec la physique quantique, nous reprenons tout de zéro, avec des termes simples.

[EN VIDÉO] La mécanique quantique expliquée en vidéo 02:17. Qu’est-ce que la mécanique quantique ? À quoi sert-elle ? Quel est son champ d’étude ? La réponse en vidéo ! 

Dans son livre The Character of Physical Law, le physicien Richard Feynman écrit : « Je pense pouvoir affirmer sans risque que personne ne comprend la mécanique quantique. » Si les ressorts de cette discipline encore jeune (à peine un siècle) questionnent profondément les rares esprits qui s’adonnent à son étude, l’on sait néanmoins que la physique quantique décrit avec une précision confondante les comportements les plus contre-intuitifs des atomes et des particules, posant souvent plus de questions qu’elle n’en résout. Bien qu’il ne fasse plus aucun doute que, pour le physicien classique, la mécanique quantique avance parfois à rebours du sens commun, la manière dont elle le fait demeure encore incertaine.

Néanmoins, une récente étude parvient aujourd’hui à apporter de nouveaux éléments de réponse que nous allons ici tenter d’expliquer dans les termes les plus simples et les plus clairs possibles.

« Être et ne pas être », disait le chat de Schrödinger

Pour les chercheurs travaillant en dehors du champ de la physique quantique, le monde possède deux qualités importantes. Il est à la fois :

  • réalistec’est-à-dire que la réalité est objective et ne dépend pas d’une mesure ou d’un observateur ;
  • déterministec’est-à-dire que la réalité n’est pas aléatoire mais le fruit d’un ensemble de variables produisant des résultats systématiques et prédictibles (pourvu que l’on dispose de toutes les informations nécessaires à sa compréhension).
    Or, la physique quantique nous apprend qu’il en va bien autrement en deçà d’une certaine échelle, dans le monde exotique des atomes et des particules, voire des molécules. Imaginons qu’une particule, un peu comme un interrupteur, admette deux états possibles, que nous baptiserons 1 et 0 pour un maximum de simplicité. Si l’on en croit l’interprétation de Copenhague, tandis qu’un interrupteur ne peut être que dans un seul état à la fois (allumé ou éteint), la particule, elle, se trouve dans ce que l’on appelle une superposition d’états, c’est-à-dire à la fois 1 et 0. Cette superposition ne disparaît que lorsqu’un observateur décide de mesurer son état, causant ainsi un effondrement de la fonction d’onde. Cette première idée contredit la possibilité d’une réalité unique et objective pour notre particule, mais les choses ne s’arrêtent pas là…

Lire l’article complet sur ce site : https://www.futura-sciences.com/sciences/actualites/physique-physique-quantique-cette-experience-remet-elle-question-notre-realite-78402/ - ©2001-2020 Futura-Sciences, tous droits réservés - Groupe MadeInFutura

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7.
La physique quantique, késako ? [Comment ça marche ?] Vidéo 5:40 - 22 mai 2019 - CEA Recherche

A notre échelle, tout ce qui nous entoure, a une masse, une position ou encore une vitesse bien définies. Nos objets du quotidien sont bien décrits par la physique dite ’classique’. Mais à l’échelle microscopique, on observe des situations qui nous demandent de changer radicalement notre vision du monde. L’atome peut en effet être placé dans deux, trois, ou même une infinité d’endroits à la fois. On dit alors que l’atome est dans une « superposition quantique cohérente d’états ». Ce phénomène est un cas particulier d’un principe de base de la physique quantique, une branche de la physique qui décrit bien le monde microscopique. Découvrez en animation-vidéo ce qu’est la physique quantique. Une animation-vidéo co-réalisée avec L’Esprit Sorcier. Pour en savoir plus sur la mécanique quantique : http://www.cea.fr/comprendre/Pages/ph... Pour en savoir plus sur l’ordinateur quantique : http://www.cea.fr/comprendre/Pages/no... Pour suivre nos vidéos : abonnez-vous à notre chaîne : https://www.youtube.com/user/CEAscien...

Source : https://www.youtube.com/watch?v=y1T463vMEfc

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8.
Physique quantique : au cœur du labo [Reportage] Vidéo 11:33 - 07 janvier 2020 - CEA Recherche

Le laboratoire de physique fondamentale du groupe d’électronique quantique (quantronique) du CEA invente, conçoit, fabrique et caractérise des circuits et composants quantiques. Les circuits électriques quantiques peuvent se trouver globalement dans deux états électriques à la fois alors que ces deux états sont normalement incompatibles. Découvrez ces différentes étapes en vidéo. Pour être informé de toutes nos nouvelles vidéos, abonnez-vous à notre chaîne YouTube, https://www.youtube.com/user/CEAscien... Pour en savoir plus sur la physique quantique, consultez notre fiche l’essentiel sur… la mécanique quantique : http://www.cea.fr/comprendre/Pages/ph... Pour faire le point sur les révolutions quantiques passées et à venir, consultez notre revue Clefs sur les révolutions quantiques, http://www.cea.fr/multimedia/Pages/ed...

Source : https://www.youtube.com/watch?v=UM5arvHTTwE

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9.
La mécanique quantique en 7 idées Vidéo 19:22 - 02 octobre 2015 - ScienceEtonnante

Vous avez toujours rêvé de comprendre les mystères de la mécanique quantique ? Cette vidéo est faite pour vous ! Au menu, principe de superposition, mesure quantique, réduction du paquet d’onde, dualité onde-corpuscule, quantification et principe d’incertitude de Heisenberg ! Écrit et réalisé par David Louapre © Science étonnante * MES LIVRES : - ’Mais qui a attrapé le bison de Higgs ?’ https://www.amazon.fr/gp/product/B07R... - ’Insoluble, mais vrai !’ https://www.amazon.fr/gp/product/2081... * ME SOUTENIR : http://www.tipeee.com/science-etonnante * SUR LES RESEAUX SOCIAUX : Facebook : https://www.facebook.com/sciencetonnante Twitter : https://www.twitter.com/dlouapre * LE BLOG : http://scienceetonnante.com Pour compléter et préciser tout ce qui est dit ici, le billet de blog qui va avec : https://scienceetonnante.com/2015/10/... Le joli tableau plein d’équations de mécanique quantique : Cutty Sark http://cutty-sark.deviantart.com/art/...

Source : https://www.youtube.com/watch?v=Rj3jTw2DxXQ

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10.
Physique quantique : des surprises en perspective Vidéo 1:34:14 - 23 avril 2020 - Palais de la découverte

Description : Avec la lévitation supraconductrice, les ordinateurs quantiques, la nanophysique et les matériaux protecteurs de l’environnement, l’exploration des propriétés étonnantes de la matière et de la lumière ne fait que commencer. Attendons-nous à de belles surprises ! Julien Bobroff, physicien, professeur à l’université Paris-Sud, Laboratoire de physique des solides. Crédits : EPPDCSI

Source : https://www.youtube.com/watch?v=scr4iLpPb-c

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11.
Mise à jour scientifique et technique – « Tout est quantique » toutestquantique.fr –« Bases de la quantique : dualité · quantification · atomes · tunnel · spin · laser · métaux · recherches quantiques · Superposition · Graphène, etc…

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12.
Qu’est-ce que l’internet quantique ? Tout ce que vous devez savoir sur l’étrange avenir des réseaux quantiques - Par Daphne Leprince-Ringuet | Modifié le jeudi 03 septembre 2020 à 18:18 - Document ZDNet’

Technologie : Les scientifiques du monde entier travaillent sur un internet quantique pour communiquer par téléportation. Mais qu’est-ce que l’internet quantique, quand sera-t-il prêt, et qui l’utilisera ? – Illustration

Sommaire :

  • Qu’est-ce que l’informatique quantique ?
  • Des communications quantiques plus sûres
  • Alors, qu’est-ce qu’un internet quantique ?
  • Comment fonctionne l’enchevêtrement (ou intrication) ?
  • Et à part la sécurité, que faire d’autre avec l’internet quantique ?
  • Qu’est-ce que l’on ne pourra pas faire avec l’internet quantique ?
  • Alors, qu’est-ce que l’on en attend ?
    Vidéo de 1 minutes 22 à voir à la source

Tout cela peut sembler être de la science-fiction, mais la construction de réseaux quantiques est une ambition clé pour de nombreux pays du monde. Récemment, le ministère américain de la défense a publié le premier plan de ce type, exposant une stratégie progressive pour réaliser le rêve d’un internet quantique, du moins sous une forme très préliminaire, au cours des prochaines années.

L’Europe, et les Etats-Unis se sont joints à la Chine dans la recherche sur le concept de communications quantiques. Mais qu’est-ce que l’internet quantique exactement, comment fonctionne-t-il et que peut-il promettre ?

Qu’est-ce que l’informatique quantique ?

L’internet quantique est un réseau qui permettra aux dispositifs quantiques d’échanger certaines informations dans un environnement qui exploite les lois étranges de la mécanique quantique. En théorie, cela conférerait à l’internet quantique des capacités sans précédent, impossibles à réaliser avec les applications web actuelles.

Dans le monde quantique, les données peuvent être encodées à l’état de qubits, qui peuvent être créés dans des dispositifs quantiques comme un ordinateur ou un processeur quantique. Et l’internet quantique, en termes simples, consistera à envoyer des qubits à travers un réseau de multiples dispositifs quantiques qui sont physiquement séparés. Tout cela se produira grâce aux propriétés farfelues propres aux états quantiques.

Cela pourrait ressembler à l’internet standard. Mais envoyer des qubits par un canal quantique, plutôt que par un canal classique, signifie en fait exploiter le comportement des particules lorsqu’elles sont prises à leur plus petite échelle – ce qu’on appelle les ’états quantiques’, qui ont suscité la joie et la consternation des scientifiques pendant des décennies.

Et les lois de la physique quantique, qui sous-tendent la manière dont l’information sera transmise dans l’internet quantique, ne sont rien de moins qu’inconnues. En fait, elles sont étranges, contre-intuitives, et parfois même apparemment surnaturelles.

Pour comprendre le fonctionnement de l’écosystème de l’Internet quantique, il faut donc oublier tout ce que vous savez sur l’informatique classique. En effet, l’internet quantique ne vous rappellera guère votre navigateur web préféré. Bref, peu de choses auxquelles la plupart des utilisateurs sont habitués. Il ne faut donc pas s’attendre, au moins pour les prochaines décennies, à pouvoir un jour se lancer dans des réunions Zoom quantiques.

Quel type d’information peut-on échanger avec l’internet quantique ?

Le fait que les qubits, qui exploitent les lois fondamentales de la mécanique quantique, se comportent très différemment des bits classiques est au cœur de la communication quantique. Un bit classique ne peut en fait être que l’un des deux états, 1 ou 0. Tout comme un interrupteur doit être allumé ou éteint, et tout comme un chat doit être soit mort soit vivant, un bit doit être soit 0 soit 1.

Avec des qubits, c’est différent. Les qubits sont plutôt superposés : ils peuvent être 0 et 1 simultanément, dans un état quantique spécial qui n’existe pas dans le monde classique. C’est un peu comme si vous pouviez être à la fois à gauche et à droite de votre canapé, au même moment. Le paradoxe est que le simple fait de mesurer un qubit signifie qu’on lui attribue un état. Un qubit mesuré tombe automatiquement de son double état, et est relégué à 0 ou 1, comme un bit classique.

Le phénomène s’appelle la superposition, et se trouve au cœur de la mécanique quantique.

Il n’est pas surprenant que les qubits ne puissent pas être utilisés pour envoyer le type de données que nous connaissons, comme les courriels et les messages WhatsApp. Mais le comportement étrange des qubits ouvre d’énormes possibilités dans d’autres applications plus spécialisées.

Des communications quantiques plus sûres

L’une des pistes les plus passionnantes que les chercheurs, armés de qubits, explorent, est la sécurité. En ce qui concerne les communications classiques, la plupart des données sont sécurisées en distribuant une clé commune à l’expéditeur et au destinataire, puis en utilisant cette clé commune pour chiffrer le message. Le destinataire peut ensuite utiliser sa clé pour décoder les données à son tour.

La sécurité de la plupart des communications classiques d’aujourd’hui repose sur un algorithme de création de clés que les pirates informatiques ont du mal à déchiffrer. Mais il n’est pas impossible de la faire. C’est pourquoi les chercheurs étudient ce processus de communication ’quantique’. Ce concept est au cœur d’un domaine émergent de la cybersécurité appelé distribution de clés quantiques (QKD - quantum key distribution).

Le QKD fonctionne en demandant à l’une des deux parties de chiffrer une donnée classique en codant la clé de cryptographie sur des qubits. L’expéditeur transmet ensuite ces qubits à l’autre personne, qui les mesure afin d’obtenir les valeurs de la clé. La mesure entraîne l’effondrement de l’état du qubit ; mais c’est la valeur qui est lue pendant le processus de mesure qui est importante. Le qubit, d’une certaine manière, n’est là que pour transporter la valeur clé.

Plus important encore, le QKD signifie qu’il est facile de savoir si une tierce partie a inspecté les qubits pendant la transmission, puisque l’intrus aurait fait s’effondrer la clé simplement en la regardant. Si un hacker examinait les qubits à un moment quelconque de leur envoi, cela changerait automatiquement l’état des qubits. Un espion laisserait inévitablement derrière lui un signe d’écoute – c’est pourquoi les cryptographes soutiennent que le QKD est ’manifestement’ sûr.

Alors, qu’est-ce qu’un internet quantique ?

La technologie de QKD n’en est qu’à ses débuts. La manière ’habituelle’ de créer des QKD consiste actuellement à envoyer des qubits de manière unidirectionnelle au récepteur, par le biais de câbles de fibres optiques ; mais cela limite considérablement l’efficacité du protocole.

Les quubits peuvent facilement se perdre ou se disperser dans un câble de fibre optique, ce qui signifie que les signaux quantiques sont très sujets à erreur et qu’ils ont du mal à parcourir de longues distances. Les expériences actuelles sont en fait limitées à une portée de plusieurs centaines de kilomètres.

Il existe une autre solution, et c’est celle qui sous-tend l’internet quantique : exploiter une autre propriété du quantum, appelée intrication, pour communiquer entre deux dispositifs.

Lorsque deux qubits interagissent et s’entremêlent, ils partagent des propriétés particulières qui dépendent l’une de l’autre. Lorsque les qubits sont dans un état d’enchevêtrement (ou d’intrication), toute modification d’une particule de la paire entraîne des modifications de l’autre, même si elles sont physiquement séparées.

L’état du premier qubit peut donc être ’lu’ en observant le comportement de son homologue enchevêtré. C’est exact : même Albert Einstein a qualifié l’ensemble d’’action effrayante à distance’. Et dans le contexte de la communication quantique, l’intrication pourrait en effet, téléporter certaines informations d’un qubit à son autre moitié enchevêtrée, sans qu’il soit nécessaire de disposer d’un canal physique reliant les deux pendant la transmission.

Comment fonctionne l’enchevêtrement ?

Le concept même de téléportation implique, par définition, l’absence d’un réseau physique reliant les dispositifs de communication. Mais il reste que l’enchevêtrement doit être créé en premier lieu, puis maintenu.

Pour réaliser un QKD par enchevêtrement, il est nécessaire de construire l’infrastructure appropriée pour créer d’abord des paires de qubits enchevêtrés, puis les distribuer entre un émetteur et un récepteur. Cela crée le canal de ’téléportation’ sur lequel les clés de cryptographie peuvent être échangées.

Plus précisément, une fois que les qubits enchevêtrés ont été générés, vous devez envoyer la moitié de la paire au destinataire de la clé. Un qubit enchevêtré peut voyager à travers des réseaux de fibres optiques, par exemple, mais ceux-ci ne peuvent pas maintenir l’enchevêtrement après environ 100 kilomètres. Les qubits peuvent également être maintenus enchevêtrés sur de grandes distances par satellite, mais couvrir la planète avec des dispositifs quantiques satellitaires est coûteux.

Il reste donc d’énormes défis techniques à relever pour construire des ’réseaux de téléportation’ à grande échelle qui pourraient relier efficacement les qubits à travers le monde. Une fois le réseau d’enchevêtrement en place, la magie peut commencer : les qubits reliés n’auront plus besoin de passer par aucune forme d’infrastructure physique pour délivrer leur message.

Pendant la transmission, la clé quantique serait donc pratiquement invisible pour les tiers, impossible à intercepter et ’téléportée’ de manière fiable d’un point à l’autre. L’idée trouvera un écho dans les secteurs qui traitent des données sensibles, comme les banques, les services de santé ou les communications aériennes. Et il est probable que les gouvernements assis sur des informations top secrètes seront également les premiers à adopter cette technologie.

Et à part la sécurité, que faire d’autre avec l’internet quantique ?

Pourquoi s’embêter avec l’enchevêtrement ? Après tout, les chercheurs pourraient simplement trouver des moyens d’améliorer la forme ’habituelle’ de la QKD. Les répéteurs quantiques, par exemple, pourraient grandement contribuer à augmenter la distance de communication dans les câbles à fibres optiques, sans avoir à aller jusqu’à l’enchevêtrement des qubits.

Et ce, sans tenir compte de l’immense potentiel que l’enchevêtrement pourrait avoir pour d’autres applications. Car le QKD pourrait également être utilisé, par exemple, pour fournir un moyen fiable de construire des clusters quantiques constitués de qubits enchevêtrés situés dans différents dispositifs quantiques.

Les chercheurs n’auront pas besoin d’un matériel quantique particulièrement puissant pour se connecter à l’internet quantique – en fait, même un processeur d’un seul qbit pourrait faire l’affaire. Mais en reliant entre eux des dispositifs quantiques qui, dans leur état actuel, ont des capacités limitées, les scientifiques espèrent pouvoir créer un superordinateur quantique qui les surpassera tous.

En connectant ensemble de nombreux dispositifs quantiques plus petits, l’internet quantique pourrait donc commencer à résoudre les problèmes qu’il est actuellement impossible de résoudre avec un seul ordinateur quantique. Il s’agit notamment d’accélérer l’échange de vastes quantités de données et de réaliser des expériences de détection à grande échelle en astronomie et en sciences de la vie.

C’est pourquoi les scientifiques sont convaincus que nous pourrions récolter les avantages de l’internet quantique avant même que des géants technologiques tels que Google et IBM n’atteignent la suprématie quantique - soit le moment où un seul ordinateur quantique résoudra un problème qui est insoluble pour un ordinateur classique.

Les ordinateurs quantiques les plus avancés de Google et d’IBM se situent actuellement autour de 50 qubits, ce qui, à lui seul, est bien inférieur à ce qui est nécessaire pour effectuer les calculs phénoménaux requis pour résoudre les problèmes que la recherche quantique espère résoudre.

D’autre part, le fait de relier ces dispositifs entre eux par enchevêtrement quantique pourrait donner naissance à des grappes de plusieurs milliers de qubits. Pour de nombreux scientifiques, la création d’une telle puissance de calcul est en fait le but ultime du projet d’internet quantique.

Qu’est-ce que l’on ne pourra pas faire avec l’internet quantique ?

Dans un avenir proche, l’internet quantique ne pourra pas être utilisé pour échanger des données comme nous le faisons actuellement sur nos ordinateurs portables. Imaginer un internet quantique opérationnel nécessiterait d’anticiper de quelques décennies (ou plus) d’avancées technologiques. Autant les scientifiques rêvent de l’avenir de l’internet quantique, autant il est impossible d’établir un parallèle entre le projet tel qu’il se présente actuellement et la façon dont nous naviguons sur le web au quotidien.

De nos jours, de nombreuses recherches sur les communications quantiques visent à trouver la meilleure façon de coder, de compresser et de transmettre des informations grâce aux états quantiques. Les états quantiques sont bien sûr connus pour leurs densités extraordinaires, et les scientifiques sont convaincus qu’un seul nœud pourrait téléporter une grande quantité de données. Mais le type d’informations que les scientifiques envisagent d’envoyer via l’internet quantique n’a pas grand-chose à voir avec l’ouverture d’une boîte de réception et le défilement des courriels. En fait, la technologie ne vise pas à remplacer l’internet classique.

Les chercheurs espèrent plutôt que l’internet quantique se situera à côté de l’internet classique, et qu’il sera utilisé pour des applications plus spécialisées. L’internet quantique permettra d’effectuer des tâches qui peuvent être réalisées plus rapidement sur un ordinateur quantique que sur des ordinateurs classiques, ou qui sont trop difficiles à réaliser même sur les meilleurs superordinateurs qui existent aujourd’hui.

Alors, qu’est-ce que l’on en attend ?

Les scientifiques savent déjà comment créer un enchevêtrement entre les qubits, et ils ont même réussi à tirer parti de l’enchevêtrement pour le QKD. La Chine, investisseur de longue date dans les réseaux quantiques, a battu des records en matière d’intrication induite par les satellites. Des scientifiques chinois ont récemment établi l’intrication et ont atteint le QKD sur une distance record de 1 200 kilomètres.

L’étape suivante, cependant, consiste à développer l’infrastructure. Jusqu’à présent, toutes les expériences n’ont connecté que deux points. Maintenant que la communication point à point a été réalisée, les scientifiques travaillent à la création d’un réseau dans lequel plusieurs expéditeurs et plusieurs récepteurs pourraient échanger sur l’internet quantique à l’échelle mondiale.

L’idée est de trouver les meilleurs moyens de produire à la demande de nombreux qubits enchevêtrés, sur de longues distances et entre de nombreux points différents en même temps. C’est beaucoup plus facile à dire qu’à faire : par exemple, le maintien de l’enchevêtrement entre un appareil en Chine et un autre aux Etats-Unis nécessiterait probablement un nœud intermédiaire, en plus de nouveaux protocoles de routage.

Et les pays optent pour des technologies différentes lorsqu’il s’agit d’établir l’enchevêtrement au départ. Alors que la Chine choisit la technologie des satellites, la fibre optique est la méthode privilégiée par les américains, qui tentent de créer un réseau de répéteurs quantiques pouvant augmenter la distance qui sépare les qubits enchevêtrés.

Aux Etats-Unis, des particules sont restées enchevêtrées dans des fibres optiques sur une ’boucle quantique’ de 80 kilomètres dans la banlieue de Chicago, sans qu’il soit nécessaire de recourir à des répéteurs quantiques. Le réseau sera bientôt relié à l’un des laboratoires du DoE pour établir un banc d’essai quantique de 130 kilomètres.

En Europe, la Quantum Internet Alliance a été créée en 2018 pour développer une stratégie pour l’internet quantique, et a démontré un enchevêtrement sur 50 kilomètres l’année dernière.

Pour les chercheurs en sciences quantiques, l’objectif est de faire passer les réseaux au niveau national d’abord, et un jour au niveau international. La grande majorité des scientifiques s’accordent à dire que cela ne se fera probablement pas avant une vingtaine d’années. L’internet quantique est sans aucun doute un projet à très long terme, avec de nombreux obstacles techniques encore à résoudre.

Source : ZDNet.com

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Sujets : Internet Informatique quantique Recherche et développement (R & D) Transformation Numérique

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13.
L’Informatique quantique – Introduction selon Wikipédia

L’informatique quantique est le sous-domaine de l’informatique qui traite des calculateurs quantiques utilisant des phénomènes de la mécanique quantique, par opposition à ceux de l’électricité exclusivement, pour l’informatique dite « classique ». Les phénomènes quantiques utilisés sont l’intrication quantique (https://fr.wikipedia.org/wiki/Intrication_quantique) et la superposition (https://fr.wikipedia.org/wiki/Principe_de_superposition_quantique ). Les opérations ne sont plus basées sur la manipulation de bits dans un état 1 ou 0, mais de qubits en superposition d’états 1 et/ou 0.

Sommaire

Source de l’article complet : https://fr.wikipedia.org/wiki/Informatique_quantique

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14.
Un réseau informatique quantique à l’échelle planétaire serait bientôt possible selon les résultats d’une recherche - Le 26 décembre 2018 à 20:36, par Bill Fassinou – Document ‘developpez.com’ Le jeudi dernier, IOPScience a publié des informations par rapport à une étude de scientifiques italiens sur les communications quantiques par satellite. L’expérience consistait à acheminer des photons par impulsion infrarouge entre un satellite russe en orbite (le GLONASS) et le centre de géodésie spatiale au sol géré par l’Agence spatiale italienne sur une distance oblique de 20 000 kilomètres ; une expérience réussie à en croire le site. Rappelons que Microsoft avait annoncé fin 2017 qu’il était en train de travailler sur un nouveau langage de programmation dédié aux ordinateurs quantiques. Satya Nadella, le PDG de Microsoft, estimait que ces machines de l’avenir pourraient permettre de réaliser des avancées technologiques majeures dans des secteurs d’activité liés à l’énergie ou la santé, par exemple.

En novembre 2017, l’entreprise technologique américaine, Google, et le géant de l’industrie automobile allemande, Volkswagen, ont établi un partenariat qui pourrait bien révolutionner le monde des transports. En effet, Volkswagen et Google, lors de la conférence technologique “Web Summit 2017” qui se tenait à Lisbonne, au Portugal, ont annoncé qu’ils travaillaient ensemble sur un projet commun qui, à terme, devrait permettre d’exploiter le potentiel de l’informatique quantique pour résoudre certains problèmes fondamentaux dans plusieurs domaines.Illustration

https://www.developpez.net/forums/attachments/p436996d1/a/a/aDans la même foulée, Trump vient de signer un projet de loi pour dynamiser la recherche en informatique quantique. Des chercheurs aux États-Unis et dans les pays alliés ont beaucoup progressé en informatique quantique au cours des deux dernières décennies. Par exemple, D-Wave Systems du Canada a récemment annoncé que son ordinateur quantique de 2048 qubits pourrait être utilisé pour simuler des phénomènes exotiques associés à la supraconductivité. D-Wave, qui compte parmi ses investisseurs le milliardaire amazonien Jeff Bezos, collabore depuis des années avec Google, la NASA, Lockheed Martin et d’autres clients aux frontières de l’informatique quantique.

L’informatique quantique est le sous-domaine de l’informatique qui traite des calculateurs quantiques utilisant des phénomènes de la mécanique quantique, par opposition à ceux de l’électricité exclusivement, pour l’informatique dite classique. Les phénomènes quantiques utilisés sont l’intrication quantique et la superposition. Les opérations ne sont plus basées sur la manipulation de bits dans un état 1 ou 0, mais de qubits en même temps dans un état de 1 et 0. Les chercheurs italiens estiment que pour pouvoir mettre en place un réseau quantique à l’échelle mondiale, les communications quantiques (CQ) par satellite constituent une ressource précieuse. ScienceAlert qui parle également de cette expérience a indiqué que le passage de ces photons dans un tel espace sans interférence aucune et sans perte de données n’a pas été une tâche facile. Selon lui, ce type de réseau pourrait bien naître dans les années à venir.

Les communications quantiques vont permettre d’assurer une bonne sécurité des données, car les communications vont se faire sur la base de protocoles quantiques tels que l’échange ou la distribution de clé quantique (QKD). L’échange de clé quantique (ou distribution de clé quantique, ou négociation de clé quantique), souvent abrégé QKD (Quantum Key Distribution) est un protocole cryptographique visant à établir un secret partagé entre deux participants qui communiquent sur un canal non sécurisé. Ce secret sert généralement à générer une clé cryptographique commune (c’est pourquoi il s’agit d’échange de clé, au singulier), permettant ensuite aux participants de chiffrer leurs communications au moyen d’un algorithme de chiffrement asymétrique. Illustration

https://www.developpez.net/forums/attachments/p436997d1/a/a/aL’échange de clé quantique se caractérise en ce qu’il fonde sa sécurité non pas sur la difficulté calculatoire supposée de certains problèmes, comme c’est le cas pour les protocoles cryptographiques utilisés aujourd’hui, mais sur l’impossibilité supposée de violer les principes de la physique quantique. Il s’agit d’un cas particulier de cryptographie quantique. Parmi les propriétés fondamentales sur lesquelles s’appuie l’échange de clé quantique, il y a notamment le théorème de non clonage, qui garantit qu’il est impossible pour un pirate de créer une réplique exacte d’une particule dans un état inconnu. Ainsi il est possible sous certaines conditions de détecter une tentative d’interception des communications. A ce propos, Giuseppe Vallone, de l’Université de Padoue en Italie, a déclaré que « les communications quantiques dans l’espace (CQ) représentent un moyen prometteur de garantir une sécurité inconditionnelle pour les liaisons optiques satellite-sol et inter-satellites, en utilisant des protocoles d’informations quantiques comme distribution de clé quantique (QKD) ».

ScienceAlert rappelle que la clé de la réussite des échanges de données a été l’utilisation de catadioptres passifs montés sur les satellites pour conserver intacts les signaux lumineux longue distance, ce qui a dépassé de 15 000 kilomètres la distance record enregistrée auparavant pour ce type de communication quantique. Cette expérience a permis à ces scientifiques de se rendre compte qu’on peut désormais établir des communications quantiques entre le sol et les satellites. « Les technologies satellitaires permettent une large gamme d’applications civiles, scientifiques et militaires telles que les communications, la navigation et la synchronisation, la télédétection, la météorologie, la reconnaissance, la recherche et le sauvetage, l’exploration spatiale et l’astronomie. Le cœur de ces systèmes consiste à transmettre en toute sécurité des informations et des données de satellites en orbite à des stations au sol sur Terre. La protection de ces canaux contre un pirate malveillant est donc cruciale pour les opérations militaires et civiles », a ajouté Giuseppe Vallone.

Les chercheurs ont rajouté qu’ils commencent à peine à utiliser des communications quantiques et n’ont aucune idée des possibilités qu’elle aura à offrir. Aussi, ils estiment ne pas être en mesure de dire à quoi peut ressembler l’internet quantique ou encore à quoi il pourrait bien servir.

Sources : ScienceAlert, IOPScience

Voir aussi :

https://www.developpez.net/forums/images/smilies/fleche.gifMicrosoft crée un nouveau langage de programmation dédié aux ordinateurs quantiques qui devrait être officialisé d’ici la fin d’année

https://www.developpez.net/forums/images/smilies/fleche.gifGoogle et Volkswagen s’allient autour de l’informatique quantique pour développer les transports urbains et les véhicules électriques autonomes

https://www.developpez.net/forums/images/smilies/fleche.gifTrump signe un projet de loi pour dynamiser la recherche en informatique quantique avec 1,2 milliard de dollars

{{}} 21/09 - Google aurait mené la première véritable expérience qui établit la suprématie quantique, avec un système qui résout en 3 min un calcul dont la résolution prendrait 10 000 ans sur un supercalculateur
{{}} 12/02 - Un internet quantique plus rapide et plus sûr serait possible, des chercheurs développent le répéteur quantique tout-photonique
{{}} {{}}
{{}} 15/12 - L’informatique quantique et l’IA sont une « menace grandissante » pour la sécurité nationale des USA estime la Communauté de renseignement du pays
{{}} 07/12 - Les ordinateurs quantiques constituent une menace pour la sécurité et aucune mesure ne semble encore être prise selon une étudeEn Suède, Amazon, Google et Facebook ont besoin de la moitié d’une centrale nucléaire à eux seuls Developpez.com, le club des développeurs et IT Pro -Contacter le responsable de la rubrique Accueil - Nous contacter - Participez - Hébergement - Informations légales - Partenaire : Hébergement Web

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15.
Des chercheurs russes accélèrent le Quantum Computing grâce à un réseau de neurones quantique - 13 août 2020 – Document ‘1001rss.com/’

Des chercheurs russes de l’institut Skoltech, basé à Moscou, ont développé une nouvelle approche pour l’informatique quantique. Leur méthode est basée sur l’utilisation d’un réseau de neurones quantique…

À l’heure actuelle, le calcul des interactions quantiques repose sur le stockage et le traitement des données quantiques sur des ordinateurs traditionnels par le biais d’algorithmes classiques.

Les modèles théoriques capables de prédire les résultats de ces interactions complexes sont peu nombreux, et les scientifiques n’ont donc d’autre choix que de se tourner vers des techniques de ” sampling ” telles que la méthode Monte Carlo.

Les mêmes calculs sont effectués encore et encore en ajoutant une part de hasard à chaque fois. Cette approche produit des résultats corrects, mais elle requiert une puissance de calcul démesurée.

Les chercheurs du Skolkovo Institute of Science and Technology (Skoltech) de Moscou ont donc tenté de développer une nouvelle méthode plus efficace. Plutôt que d’exploiter la part de hasard des méthodes de sampling, leur approche repose sur les propriétés spécifiques des ordinateurs quantiques.

Cette nouvelle technique développée par Skoltech utilise un algorithme appelé ” variational quantum eigensolver “. Cet algorithme permet de créer une description quantique des positions de départ pour tous les objets / forces interagissant entre eux.

Des informations additionnelles sont ajoutées à partir d’un réseau de neurones classique pour estimer le type d’interaction. Puis, un réseau de neurones quantique calcule l’interaction et recherche les patterns dans le résultat.

La méthode de Skoltech est convaincante, mais reste pour l’instant théorique

Lors de tests effectués par les chercheurs, un classificateur quantique a été entraîné à reconnaître les phases de la matière. Il a atteint une précision de 99% pour le modèle Ising et 94% pour le modèle XXZ. Les résultats sont donc encourageants.

Cependant, il n’existe pas encore d’ordinateur quantique conçu pour fonctionner avec cette méthodologie. Cette méthode reste donc théorique pour le moment, mais pourrait représenter un véritable pas en avant pour l’informatique quantique

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Source : https://1001rss.com/chercheurs-russes-reseau-neurones-quantique/2020/08/13/

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16.
Introduction à la Cryptographie quantique selon Wikipédia

https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/9/99/Laser_optique.jpg/220px-Laser_optique.jpg

Laser optique

La cryptographie quantique consiste à utiliser les propriétés de la physique quantique pour établir des protocoles de cryptographie qui permettent d’atteindre des niveaux de sécurité qui sont prouvés ou conjecturés non atteignables en utilisant uniquement des phénomènes classiques (c’est-à-dire non-quantiques). Un exemple important de cryptographie quantique est la distribution quantique de clés, qui permet de distribuer une clé de chiffrement secrète entre deux interlocuteurs distants, tout en assurant la sécurité de la transmission grâce aux lois de la physique quantique et de la théorie de l’information. Cette clé secrète peut ensuite être utilisée dans un algorithme de chiffrement symétrique, afin de chiffrer et déchiffrer des données confidentielles.1

Elle ne doit pas être confondue avec la cryptographie post-quantique qui vise à créer des méthodes de cryptographie résistante à un attaquant possédant un calculateur quantique

Sommaire

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17.
La Cryptographie quantique selon Charles H. Bennett / Futura Sciences

Photo de Charles H. Bennett (né en 1943) a travaillé sur les bases physiques de la théorie de l’information, notamment en rapport avec la physique quantique. Il a joué un rôle majeur dans l’élucidation de ces interconnexions, en particulier dans le domaine de l’informatique quantique, mais aussi dans celui des automates cellulaires. Il a découvert, avec Gilles Brassard, le concept de la cryptographie quantique et est l’un des pères fondateurs de la théorie moderne de l’information quantique. © 2011 ETH Zurich 

Paradoxalement, la cryptographie quantique n’est pas de la cryptographie, car elle n’est pas une méthode de cryptage d’un message utilisant la mécanique quantique. On devrait plus correctement la nommer « distribution quantique de clés », comme c’est bien le cas en anglais. Il s’agit en effet d’un ensemble de protocoles permettant de distribuer une clé de chiffrement entre deux interlocuteurs distants, tout en assurant la sécurité de la transmission grâce aux lois de la physique quantique et de la théorie de l’information.

Les différents protocoles de cryptographie quantique

Il existe plusieurs protocoles de cryptographie quantique. On présente souvent celui développé par Bennet et Brassard en 1984, qui utilise la polarisation des photons. On s’y réfère comme le protocole BB84. Le protocole E91 a lui été imaginé par Artur Ekert en 1991. Il utilise une paire de photons intriqués et donc repose sur l’effet EPR bien mis en évidence par les expériences d’Alain Aspect et ses collègues.

Applications de la cryptographie quantique

La cryptographie quantique est sortie du domaine de la théorie depuis des années, ce n’est pas une curiosité de laboratoire car elle a déjà été mise en pratique, par exemple et pour la première fois en 2004 pour une importante transaction financière requérant une sécurité absolue et en 2007 lorsque l’entreprise suisse id Quantique a transmis les résultats des élections nationales à Genève.

Bien évidemment, la cryptographie quantique intéresse beaucoup les militaires. La Darpa (agence américaine sur la recherche militaire avancée) utilise ainsi depuis 2004 un réseau de distribution quantique des clefs. L’Union européenne n’est pas en reste car en réponse au programme d’espionnage Echelon, elle a été à l’origine du réseau Secoqc

Abonnez-vous à la lettre d’information La quotidienne : nos dernières actualités du jour. Toutes nos lettres d’information - Source : https://www.futura-sciences.com/sciences/definitions/physique-cryptographie-quantique-10172/

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18.
Ordinateurs quantiques, protocoles et algorithmes de calculs quantiques –Documents ‘utinam.cnrs.fr’

L’étude du concept d’ordinateurs quantiques par la manipulation de qubits, la réalisation de portes logiques ou d’algorithmes purement quantiques, est l’un des défis majeurs de la physique du XXIème siècle.

Approches géométriques de la manipulation de qubits

Nous développons une nouvelle méthode pour étudier le contrôle des systèmes quantiques comme les qubits soumis à un processus de décohérence. Cette nouvelle méthode repose sur une approche géométrique, dite théorie des phases géométriques, qui fournit des outils (souvent visuels) pour étudier la façon de contrôler les atomes et les molécules. Cette approche fonctionne bien pour des systèmes idéalisés où la décohérence n’intervient pas, le problème était de la généraliser de façon pertinente auxsystèmes réalistes qui y sont soumis. Suite à une réflexion épistémologique sur la nature physique du phénomène de décohérence, il est apparu que celui-ci pouvait être envisagé comme semblable au phénomène de dissipation (les systèmes dissipatifs se caractérisent par une perte de leur « substance » au cours du temps). Suite à cela, il a fallu trouver un formalisme mathématique permettant de lier les deux phénomènes en un unique modèle physique. Ce fut fait à l’aide d’une structure mathématique appelée C*-module. La théorie des phases géométriques pour les systèmes dissipatifs étant connue, ce formalisme mathématique a permis d’établir la généralisation de l’approche géométrique aux systèmes soumis à la décohérence.

Il en résulte une géométrie quelque peu ésotérique connue sous le nom de géométrie de catégories. On pourrait envisager celle-ci par l’allégorie suivante. Assimilons la géométrie à la description d’un paysage. Résoudre un problème de contrôle consiste alors à trouver son chemin dans celui-ci. Pour décrire un paysage, on décrit les différents lieux qui le constitue.

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Dans le cas normal (correspondant à une absence de décohérence), on peut « assembler » de façon cohérente les descriptions des différents lieux pour former « une image globale » du paysage. Mais dans le cas d’une géométrie de catégories (avec de la décohérence), les différentes descriptions des lieux ne forment pas une image globale cohérente. On pourrait comparer cela aux tableaux de l’artiste néerlandais M.C. Escher (Belvedere 1958, Ascending and descending 1960, Waterfall 1961). Si on se concentre sur une petite zone du tableau, la représentation du lieu ne pose pas de problème. Mais si maintenant on regarde le tableau dans sa globalité, on se rend compte que le paysage représenté est manifestement incohérent (l’échelle, la boucle d’escaliers, la rivière refermée sur elle-même).

D’un point de vue formel, le formalisme que nous avons introduit consiste à remplacer les valeurs propres usuelles de la mécanique quantique par des ’valeurs propres non-commutatives’, c’est à dire des opérateurs du système qui jouent le rôle de valeurs propres pour l’univers (l’environnement+le système). L’étude des équations aux valeurs propres non-commutatives est au cœur de notre formalisme fondé sur les C*-modules.

Ordinateur quantique à base de spins nucléaires inclus dans une matrice de points quantiques & réalisation de portes logiques sur des chaînes de spins

L’ordinateur quantique surpasse son alter ego classique en utilisant les propriétés quantiques de ses constituants fondamentaux : les qubits. Un grand nombre de propositions expérimentales permettent de penser qu’un tel ordinateur permettra d’accroître considérablement la puissance de calcul par rapport à nos machines actuelles et de communiquer sans risque sur de longues distances grâce à la cryptographie quantique.

Les spins nucléaires ont naturellement été considérés comme de sérieux candidats pour construire le futur ordinateur quantique. Le moment magnétique d’un noyau de spin-1/2 possède intrinsèquement la structure simple à deux niveaux d’un qubit.
De surcroît, ce moment magnétique n’est pas couplé directement aux champs électriques locaux, faisant de lui un objet extrêmement bien isolé de son environnement.

Entropie / ordinateur quantique

Ainsi, utilisant la technologie ultradéveloppée de la résonance magnétique nucléaire (RMN), le calcul quantique à température ambiante, à base de RMN utilisant des molécules en solution (RMN liquide), est à la pointe des progrès expérimentaux dans ce domaine. En RMN liquide, chaque molécule du soluté possède plusieurs noyaux, et chacun de ces noyaux possède, en présence d’un champs magnétique, une fréquence de Larmor déterminée. Ceci permet de sélectionner individuellement un noyau en appliquant un champ radiofréquence en résonance avec la fréquence de Larmor du noyau. Il est ainsi possible de faire une rotation du spin d’un noyau en utilisant des pulses radiofréquences adéquats. Le problème posé par la RMN liquide est qu’il est difficile de réaliser un ordinateur à grande échelle (milliers de qubits) en utilisant des molécules en solution.

Une alternative est proposée par la RMN solide, plus particulièrement la RMN utilisant les spins nucléaires à l’intérieur d’un solide cristallin. Expérimentalement, il est possible de réaliser des réseaux bidimensionnel de noyaux de spin-1/2 29Si ou $31P à l’intérieur d’une matrice semiconductrice (par exemple de GaAs). Ces spins nucléaires sont alors couplés via une interaction dipolaire. Un gradient de champ magnétique permet d’assigner une fréquence de Larmor différente à chaque spin nucléaire et ainsi de les manipuler individuellement. Nous avons étudié d’un point de vue théorique les conditions dans lesquelles un tel dispositif expérimental peut-être utilisé pour le traitement de l’information quantique. Notamment, nous montrons que le rapport entre, l’écart de deux fréquences de Larmor de deux spins adjacents, et, l’interaction dipolaire de ces deux spins, doit croître de façon linéaire avec le nombre de qubits pour que ce dispositif expérimental puisse performer des opérations quantiques de façon cohérente. Egalement, la dynamique de ces systèmes composés d’un grand nombre de spins nucléaires sont rapidement sujets au chaos quantique. Nous avons donc étudié l’apparition du chaos quantique dans ce système particulier et nous avons indiqué dans quelles conditions l’opérabilité de ce système est détruite.

Par ailleurs nous étudions la possibilité de réaliser des portes logiques à l’aide de frappes magnétiques ultra-courtes sur des chaînes de spins considérées comme des registres de qubits.

Qubits supraconducteurs et boîtes quantiques

Nous avons conduit une analyse sur la dynamique de l’intrication quantique dans des systèmes réalisés en laboratoire et candidats prometteurs pour implémenter des protocoles d’informations quantiques. Parmi ceux-ci, on a considéré des qubits à l’état solide comme des qubits supraconducteurs et des boites quantiques. Nous avons étudié la dégradation de l’intrication entre deux qubits Josephson de charge non-interagissant et sujets à des bains indépendants avec des spectres à bande large typiques des nano dispositifs à l’état solide ; une étude similaire a été réalisée dans le cas des couples de boites quantiques dans des microcavités. Dans le cas des qubits Josephson, il a été possible d’analyser soit l’effet d’un bruit à basse fréquence, traitable adiabatiquement avec un comportement typique 1/f, soit l’effet d’un bruit à haute fréquence, traitable quantiquement au sein d’une théorie markovienne. On a obtenu la contribution quantitative des différents bruits dans les temps de vie moyen de l’intrication, en considérant des valeurs de paramètres typiquement présents dans les expériences.

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Marches quantiques excitoniques et Algorithmes de recherche sur réseaux

Les bases de l’informatique quantique furent définies au début des années 80 grâce à la réflexion de chercheurs comme Richard Feynman et David Deutsch. Cependant, il fallut attendre le milieu des années 90 pour réellement apprécier la puissance potentielle de cette nouvelle technologie à travers l’élaboration des premiers algorithmes quantiques. L’un des exemple les plus célèbres est probablement celui de l’algorithme de Peter Shor pour la factorisation d’un grand nombre entier. Ainsi, alors que l’on estime à de nombreux milliards de milliards d’années le temps nécessaire pour factoriser un nombre à mille chiffres à l’aide des ordinateurs actuels, cette opération ne demanderait qu’une vingtaine de minutes à un ordinateur quantique.

Tout aussi célèbre pour sa supériorité par rapport aux calculs classiques, l’algorithme de Lov Grover permet de rechercher un (ou plusieurs) élément répondant à un critère donné parmi N éléments non classés d’une liste désordonnée. De manière générale, un algorithme classique de recherche consiste à faire défiler les éléments de la liste et à réaliser un test jusqu’à obtenir l’élément désiré. Au mieux, la cible est obtenue tout de suite, au pire, elle est atteinte avec le dernier test. En moyenne, le temps de la recherche est donc proportionnel à N. A l’inverse, avec l’algorithme de Grover, le temps de la recherche est proportionnel à N1/2 et l’espace de stockage nécessaire est proportionnel à log(N). L’accélération de la recherche quantique fait la force de l’algorithme de Grover qui provient essentiellement du concept de parallélisme quantique qui repose sur le principe de superposition.

Dans ce contexte, sous l’impulsion des travaux de Farhi et Gutmann, le concept de marches quantiques fut introduit récemment par Childs et Goldstone pour implémenter un algorithme de recherche de type Grover sur un réseau complexe. L’idée principale est la suivante : on considère une marche en temps continu sur un graphe dont la dynamique est gouvernée par un Hamiltonien standard. Les éléments de la liste sont donc les noeuds du réseau et l’élément cible est un défaut ’énergétique’ sur un noeud particulier. Le problème que l’on se pose est alors de trouver la position de cette cible ?

Pour réaliser cette recherche, on suppose que à t=0 le réseau se trouve dans un état initial qui correspond à une superposition uniformément distribuée sur l’ensemble des sites. En jouant sur les paramètres dynamiques du modèle, on cherche un instant t>0 tel que l’état devienne quasiment localisé sur le défaut. Si on arrive à cela, une opération de mesure finale trouvera le système dans cet état, révélant ainsi la position du défaut, c’est-à-dire celle de l’élément cible de la liste. Dans ce contexte, il s’avère que l’accélération de la recherche (le fameux N1/2 speedup) est obtenue uniquement sur un réseau cubique de dimension d>4. Ce type d’algorithme fut alors généralisé par Mulken et ses collègues pour réaliser une recherche sur des réseaux complexes fractales : le triangle dual de Sierpinski (DSG), le fractal T (TF) et l’arbre de Cayley (CT). A priori, pour les structures étudiées, il semble difficile de résoudre le problème de recherche efficacement quelle que soit la région de l’espace des paramètres dans laquelle on se trouve. A ce stade, on notera que d’autres approches similaires furent introduites pour résoudre le problème de recherche, comme l’utilisation des marches quantiques discrètes ou celle des marches non-linéaires.

Dans ces conditions, en suivant l’idée originale de Thilagam, nous avons introduit une nouvelle méthode de recherche quantique basée sur l’utilisation de la propagation d’un exciton de Frenkel sur un réseau complexe. Nous avons alors établi un algorithme de recherche quantique rapide et efficace en utilisant la capacité d’un exciton à se propager le long d’un graphe en étoile qui présente deux défauts énergiques identiques. Le premier défaut se trouve sur le site d’entrée dont la position est parfaitement bien défini et où l’exciton est initialement créé. Le deuxième défaut occupe un emplacement cible dont la position inconnue doit être déterminée.

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Nous avons alors montré que lorsque les défauts sont judicieusement choisies, des interférences quantiques spécifiques apparaissent si bien que la probabilité d’observer l’exciton sur le site cible devient proche de l’unité pour un temps très court t. Par conséquent, une mesure de l’état quantique de l’exciton au temps t va révéler l’identité de la position du site cible. Le point clé est que le temps t est indépendant de la taille du graphe. Il est de plus le temps la plus court physiquement accessible à l’exciton pour transiter par effet tunnel.

Contacts : Bruno Bellomo ; José Lages ; Vincent Pouthier ; David Viennot

Institut UTINAM - UMR 6213 – CNRS -Nous contacter Fil RSS du site Plan du site Crédits et mentions légales

Institut UTINAM | Section Grand Est du Groupe Français des Polymères

Source : https://www.utinam.cnrs.fr/?Ordinateurs-quantiques-protocoles-et-algorithmes-de-calculs-quantiques _ Retour au contenu des documents ajoutés sur le quantique

https://lejournal.cnrs.fr/articles/...

19.
Réseau quantique - Quantum network - Un article de Wikipédia, l’encyclopédie libre - 16 septembre 2020

Cet article concerne la mise en œuvre et le fonctionnement des réseaux quantiques. Pour une description mathématique des canaux de communication quantiques, voir Canal quantique. Les réseaux quantiques constituent un élément important de l’informatique quantique et des systèmes de communication quantique. Les réseaux quantiques facilitent la transmission d’informations sous forme de bits quantiques, également appelés qubits, entre des processeurs quantiques physiquement séparés. Un processeur quantique est un petit ordinateur quantique capable de réaliser des portes logiques quantiques sur un certain nombre de qubits. Les réseaux quantiques fonctionnent de la même manière que les réseaux classiques. La principale différence est que les réseaux quantiques, comme l’informatique quantique, sont meilleurs pour résoudre certains problèmes, tels que la modélisation de systèmes quantiques.

Lire l’étude à partir de ce site : https://fr.qaz.wiki/wiki/Quantum_network

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20. Le Calculateur quantique décrit par Wikipédia

Schéma - Circuit quantique représentant un algorithme d’un calculateur quantique (algorithme de Grover). Chaque ligne représente un qubit, les boîtes représentent des opérations, et le diagramme se lit de gauche à droite correspondant à la chronologie des opérations1.

Un calculateur quantique (anglais quantum computer, parfois traduit par ordinateur quantiquea, ou système informatique quantique2), utilise les propriétés quantiques de la matière, telle que la superposition et l’intrication afin d’effectuer des opérations sur des données. À la différence d’un ordinateur classique basé sur des transistors travaillant sur des données binaires (codées sur des bits, valant 0 ou 1), le calculateur quantique travaille sur des qubits dont l’état quantique peut posséder une infinité de valeurs.

De petits calculateurs quantiques ont été construits à partir des années 1990. Jusqu’en 2008, la difficulté majeure concerne la réalisation physique de l’élément de base : le qubit. Le phénomène de décohérence (perte des effets quantiques en passant à l’échelle macroscopique) freine le développement des calculateurs quantiques. Le premier processeur quantique est créé en 2009 à l’université Yale : il comporte deux qubits composés chacun d’un milliard d’atomes d’aluminium posés sur un support supraconducteur.

Ce domaine est soutenu financièrement par plusieurs organisations, entreprises ou gouvernements en raison de l’importance de l’enjeu : au moins un algorithme conçu pour utiliser un circuit quantique, l’algorithme de Shor, rendrait possibles de nombreux calculs combinatoiresb hors de portée d’un ordinateur classique en l’état actuel des connaissances. La possibilité de casser les méthodes cryptographiques classiques est souvent mise en avant3.

Sommaire

L’empirique loi de Moore estimait que la taille des transistors approcherait celle de l’atome à l’horizon 2020. Dès 2015, Intel s’est heurté à des difficultés inattendues lui faisant retarder de six mois sa série Skylake gravée en 14 nanomètres, premier retard constaté sur la célèbre loi4. Sous les 8 nanomètres, des effets quantiques étaient censés perturber le fonctionnement des composants électroniques5, bien que des circuits présentés comme de 7 nanomètres soient annoncés chez des concurrents d’Intel en 20206.

La construction (éventuelle) de grands calculateurs quantiques (plus de 300 qubits) permettrait selon David Deutsch7 de faire certains calculs plus vite qu’un ordinateur classique plus grand que l’Univers observable lui-mêmec.

Les calculateurs quantiques demandent des techniques de calcul différentes de la programmation, mais utilisant beaucoup l’algèbre linéaire classique pour conditionner et traiter simultanément des ensembles de données liées, plus un petit ordinateur classique externe juste pour enchaîner les opérations8.

Que des calculateurs quantiques de taille intéressante soient possibles ou non à terme, leur premier avenir commercial ne sera probablement pas dans le grand public : le calcul quantique exige peu d’entrées et peu de sorties. Il ne se prête donc a priori qu’aux calculs dont la complexité réside dans la combinatoire. On trouve ces problèmes dans l’ordonnancement et les autres calculs de recherche opérationnelle, en bio-informatique, et bien entendu en cryptographie. Le faible volume des entrées-sorties par rapport à celui du traitement rend toutefois plausible et même indiqué leur usage à distance à travers le réseau Internet9. Certains sont ainsi mis à disposition de chercheurs via la société Amazon10

La combinatoire constitue le domaine d’application privilégié des futures cartes de calcul quantique. Ainsi il peut être très difficile de trouver tous les facteurs premiers d’un grand nombre (par exemple de 1 000 chiffres). Ce problème de factorisation est difficile pour un ordinateur ordinaire à cause de l’explosion combinatoire. Un circuit de calcul quantique pourrait résoudre ce problème en un temps polynomial, c’est-à-dire que pour l’ordinateur quantique, la difficulté augmenterait polynomialement au lieu d’augmenter exponentiellement.

Une analogie possible est de se représenter un calculateur quantique comme un processeur SIMD (carte graphique, par exemple) dont le nombre de pipelines serait 2 N \displaystyle 2^N

fois le nombre N de qubits. L’analogie s’arrête là, un calculateur quantique ne pouvant fournir qu’un bit de résultat à la fois (l’état quantique étant détruit par l’observation), après quoi le calcul doit être recommencé pour demander le bit suivant. Un résultat de taille 2 N \displaystyle 2^N

ne demande donc qu’un temps en O(N log(N)), ce qui est considérablement plus rapide que de la combinatoire classique à mesure que la valeur de N devient grande, même si ce n’est que de l’ordre du milliard.

Cryptographie

Ainsi la cryptanalyse serait bien plus rapide que par un ordinateur classique, car augmentant de façon linéaire (en N) avec la taille N de la clé, et non de façon exponentielle (en 2N, par exemple) comme avec des méthodes de force brute, séquentielles ou même massivement parallélisées avec CUDA, voire des calculateurs très spécialisés. En effet, pour casser un chiffrement basé sur l’utilisation des nombres premiers, les ordinateurs actuels, même parallélisés, doivent résoudre ce problème dans un temps de calcul qui augmente exponentiellement avec la longueur de la clef. Ce caractère exponentiel s’évanouit dès lors que l’on passe de la base binaire (système actuel avec les bits) à une base de taille arbitraire et élevée grâce au qubit.

Les grandes capacités de factorisation permettraient ainsi à un calculateur quantique de casser de nombreux systèmes cryptographiques actuellement utilisés, en particulier la plupart des méthodes de chiffrement asymétriques : RSA, ElGamal ou Diffie-Hellman. Ces algorithmes sont utilisés pour protéger des pages Web, des messages électroniques, et beaucoup d’autres types de données. Parvenir à casser ces protections serait un avantage majeur pour l’organisation ou le pays qui y parviendrait, et une réédition de l’exploit réalisé pour Enigma.

La seule façon de rendre sûr un algorithme tel que RSA est d’augmenter la taille de la clé en fonction de l’évolution des technologies qui permettent de casser des clés toujours de plus en plus longues, ralentissant en même temps le codage des messages sur les réseaux utilisateurs. Cette clé doit être plus grande que le plus grand des circuits de calcul quantique existants. Or la taille des moyens de calcul dont dispose par exemple la National Security Agency ne sera évidemment jamais rendue publique. La conséquence en est que les pays ou organismes voulant se protéger verront augmenter de plusieurs ordres de grandeur le coût et le délai de leurs communications, sans même jamais savoir si cela sert à quelque chose, et au prix d’une lourde réorganisation des communications, de leur coût, et de leur commodité.

Des moyens de chiffrement quantique existent déjà dans le commerce. Ils ne demandent pas de calculateur quantique, simplement une mise en place plus complexe qu’un chiffrement standard, mais rendent toute interception de message immédiatement détectable par altération de l’état quantique de celui-cid.

Cryptographie quantique Article détaillé : Cryptographie quantique.

Si les transmissions quantiques se généralisaient dans l’avenir, elles pourraient assurer une confidentialité totale11. On ne peut en effet pas réaliser une copie exacte de l’état intriqué d’un qubit : cette règle est connue sous le nom de théorème de non-clonage11. Si un nœud intermédiaire essaie de copier une requête quantique, il la perturbera nécessairement11. L’émetteur de la requête pourra détecter l’existence éventuelle de cette perturbation11. Cette question pose toutefois aussi celle de la faisabilité de répéteurs.

Intelligence artificielle

La résolution de tâches telles que la vision par ordinateur avec reconnaissance de formes d’objets complexes a fait un pas de plus en 2016-2017. Des universitaires de Californie ont appris à un ordinateur D-Wave 2X (processeur à 1 152 qubits) à apprendre à reconnaître des arbres à partir de centaines d’images satellites de la Californie, avec in fine des résultats corrects à 90 %, soit un peu plus précis qu’avec un ordinateur classique12.

Simulation de physique quantique et de physique des particules

Des circuits quantiques sont déjà utilisés pour des simulations de mécanique quantique et de physique des particules13, fonction pour laquelle Richard Feynman les avait imaginés au départ. Ils y sont très utiles, car les calculs quantiques deviennent complexes dès qu’on sort de quelques cas triviaux.

Prévisions financières

Les calculateurs quantiques sont envisagés pour étudier la nature stochastique des marchés financiers et construire de nouveaux modèles de prévisions. Ces nouveaux outils permettraient d’évaluer la distribution de résultats dans un très grand nombre de scénarios générés au hasard14.

Prévisions météorologiques

Hartmut Neven de Google note que les ordinateurs quantiques pourraient aider à construire de meilleurs modèles climatiques15. Le service météorologique national du Royaume-Uni a déjà commencé à investir dans ces nouvelles technologies16.

Autres algorithmes

Un autre algorithme, au gain moins spectaculaire, a été découvert par la suite : la recherche quantique rapide dans une base de données (en anglais : quantum database search) par l’algorithme de Grover. Au lieu de parcourir tous les éléments d’une liste pour trouver celui qui répond le mieux à un critère (par exemple : recherche d’une personne dans l’annuaire pour trouver son numéro de téléphone), cet algorithme utilise des propriétés de superposition pour que la recherche se fasse de façon globale. Les résultats devraient être en O ( N ) \displaystyle \mathrm O (\sqrt N)

, N étant le nombre de fiches (et O représentant la comparaison asymptotique), soit mieux qu’une base de données classique non optimisée, sous réserve de disposer d’un registre quantique de taille suffisante pour les calculs.

En 2009, Harrow, Hassidim et Lloyd17 proposent un algorithme de résolution (en) de systèmes linéaires avec un gain exponentiel. En décembre 2015, Google annonce avoir implémenté sur une machine D-Wave l’algorithme du recuit simulé quantique (en) proposé en 1994 par Finilla, Gomez, Sebenik et Doll18. L’implémentation faite est cent millions de fois plus rapide qu’une implémentation de recuit simulé standard19.

En résumé, des circuits de calcul quantique apporteraient un plus aux ordinateurs classiques dans plusieurs types d’applications :

Suite aux travaux de Rolf Landauer20 sur la réversibilité logique et physique du processus de calcul, Charles Bennett21 d’une part, Edward Fredkin22 et Tommaso Toffoli de l’autre, présentent indépendamment des modèles d’ordinateurs qui prouvent la faisabilité pratique de tels calculs. La réversibilité logique correspond ici à la possibilité de défaire une à une les opérations logiques effectuées en appliquant l’instruction inverse, tandis que la réversibilité physique implique l’absence de dissipation d’énergie, donc l’absence d’opération visant à effacer une information (principe de Landauer).

Or, les lois fondamentales de la physique étant réversibles (le remplacement du temps t \displaystyle t par son opposé − t \displaystyle -t ne change pas substantiellement la forme des équations), le rapprochement entre théorie quantique et proccessus de calcul est acté par Paul Benioff23 en 1980 lorsqu’il décrit un ordinateur à partir des concepts quantiques, notamment de l’opérateur hamiltonien. En Russie, Yuri Manin fait une proposition semblable mais non relayée alors en occident faute d’être traduite.

En 1981, Rolf Landauer, Edward Fredkin et Tommaso Toffoli organisent la première Conférence sur la Physique du Calcul à la Endicott House du MIT24, qui réunit une quarantaine de physiciens, informaticiens, ingénieurs ou curieux. Richard Feynman y prononce un discours25 centré sur l’idée de simuler exactement la mécanique quantique, tâche impossible pour les ordinateurs classiques. Il est bientôt suivi par David Albert26.

De son côté, David Deutsch, imagine en 1979 un calculateur basé sur la mécanique quantique, dans le but de tester la théorie des univers multiples de Hugh Everett. Son article27 n’est toutefois publié qu’en 1985, avant un second texte28 dans lequel Deutsch énonce un problème pour lequel le parallélisme quantique assurerait une résolution certaine et plus rapide qu’un ordinateur classique. En 1992, David Deutsch et Richard Jozsa écrivent l’algorithme éponyme en réponse à ce problème29.

L’idée de Feynman était : « Au lieu de nous plaindre que la simulation des phénomènes quantiques demande des puissances énormes à nos ordinateurs actuels, utilisons la puissance de calcul des phénomènes quantiques pour dépasser nos ordinateurs actuels ».

Jusqu’au milieu des années 1990, les physiciens sont partagés quant à la possibilité d’une réalisation pratique30, en partie à cause du phénomène d’interaction du système quantique avec son environnement, qui provoque la décohérence et la perte de tout ou partie de l’information calculée.

Mais :

  • en 1994, Peter Shor, chercheur chez AT&T, montre qu’il est possible de factoriser des grands nombres dans un temps raisonnable à l’aide d’un calculateur quantique31. Cette découverte débloque brusquement des crédits. Shor propose l’année suivante l’un des premiers codes de correction d’erreur adapté aux systèmes quantiques32 ;
  • en 1996, Lov Grover33, invente un algorithme utilisant un circuit (théorique) de calcul quantique qui permet de trouver une entrée dans une base de données non triée en O ( N ) \displaystyle \mathrm O (\sqrt N)

e ;

  • en 1998, IBM est le premier à présenter un calculateur quantique de 2 qubits ;
  • en 1999, l’équipe d’IBM utilise l’algorithme de Grover sur un calculateur de 3 qubits, puis bat ce record l’année suivante avec un calculateur de 5 qubits ;
  • en 2001, le CEA a mis au point une puce en silicium utilisant trois nanojonctions Josephson appelée le quantronium : deux jonctions servent de qubit, la troisième sert d’instrument de mesure. Pour les qubits, ces circuits électroniques contiennent des états de spin dans des boites quantiques semi-conductrices. À long terme, ces systèmes « solides » offrent des perspectives intéressantes d’intégration à grande échelle34 ;
  • le 19 décembre 2001, IBM crée un calculateur quantique de 7 qubits et factorise le nombre 1535 grâce à l’algorithme de Shor. Ces calculateurs à 7 qubits sont bâtis autour de molécules de chloroforme et leur durée de vie utile ne dépasse pas quelques minutes. On parle par dérision de wetware ;
  • en 2006, Seth Lloyd, professeur au Massachusetts Institute of Technology (MIT), pionnier du calcul quantique et auteur du livre Programming the Universe, mentionne dans le numéro d’août 2006 de la revue Technology Review (p. 24) l’existence de calculateurs quantiques à 12 qubits36 ;
  • en avril 2006 l’Institut de traitement de l’information quantique de l’université d’Ulm en Allemagne présente la première micropuce européenne linéaire tridimensionnelle qui piège plusieurs atomes ionisés Ca+ de manière isolée ;
  • le 13 février 2007, la société D-Wave annonce officiellement avoir réalisé un ordinateur quantique à base solide de 16 qubits ;
  • le 14 décembre 2007, l’université du Queensland annonce travailler sur des circuits quantiques optiques37 ;
  • en avril 2008, un article publié dans Scientific American fait état d’une avancée38 vers un calculateur quantique utilisant l’effet Hall quantique fractionnaire ;
  • en 2009, des chercheurs de l’université Yale créent le premier processeur quantique rudimentaire transistorisé de 2 qubits, capable d’exécuter des algorithmes élémentaires39 ;
  • le 14 avril 2009, la société D-Wave annonce une puce quantique de 128 qubits 40
  • le 28 juin 2009, la revue Nature rend compte de la réalisation par une équipe de l’université Yale d’un circuit de calcul quantique solide pouvant être utilisé à terme dans un calculateur quantique41. Chacun des deux qubits qui le composent est constitué de plus d’un milliard d’atomes d’aluminium mais ces deux qubits agissent comme un seul qui pourrait occuper deux états d’énergie différents42 ;
  • en 2010, une équipe de l’université de Bristol crée un processeur quantique optique, en silicium, capable d’exécuter l’algorithme de Shor43,44 ;
  • le 3 mars 2011, des physiciens de l’université de Sherbrooke trouvent un nouvel algorithme quantique important45. En 2011, le dispositif le plus complexe a été mis au point à l’université d’Innsbruck et comporte 14 qubits46 ;
  • en 2011, la société D-Wave annonce la première commercialisation d’ordinateur quantique le ’D-Wave One’. Le 25 mai 2011 la société Lockheed Martin achète le premier ’D-Wave One’, puis ce sera la NASA.
  • en 2012, Enrique Martín-López, Anthony Laing, Thomas Lawson, Roberto Alvarez, Xiao-Qi Zhou et Jeremy L. O’Brien de l’université de Bristol créent un dispositif quantique optique, capable de factoriser le nombre 21 en exécutant l’algorithme de Shor47 ;
  • en mai 2013, Google lance le Quantum Artificial Intelligence Lab, hébergé par le Centre de recherche Ames de la NASA, avec un ordinateur quantique D-Wave 512 qubits. L’USRA (Universities Space Research Association) invite alors les chercheurs à participer au projet et à étudier l’informatique quantique notamment pour l’apprentissage machine48 ;
  • en janvier 2014, le Washington Post révèle, sur la base de documents fournis par Edward Snowden, que la NSA possède un programme de recherche de 79,7 millions de dollars (intitulé « Penetrating Hard Targets ») dont le but est de développer un ordinateur quantique, qui lui permettrait dans le principe d’espionner en toute transparence les communications chiffrées des entreprises comme des États. Toutefois il semble peu probable que la technique nécessaire soit au point, ou en passe de l’être49,50,51 ;
  • en 2014, un groupe de chercheurs de l’ETH Zürich, USC, Google et Microsoft réalise des tests sur le D-Wave Two. Les chercheurs rapportent n’avoir pas pu mesurer ni exclure une accélération quantique52 ;
  • en 2014, les chercheurs de l’Université de Nouvelle-Galles du Sud parviennent à utiliser du silicium comme protection autour des qubits, ce qui a pour effet de les rendre plus précis et d’augmenter la durée pendant laquelle ils conservent l’information. Ce qui pourrait faciliter la construction d’ordinateurs quantiques à terme53 ;
  • à la suite des avancées techniques annoncées par une équipe australienne54, Brian Snow, ancien directeur technique de la NSA, met en garde contre la perte possible à terme de tout secret des transmissions sur l’Internet ;
  • en avril 2015, les scientifiques d’IBM rendent publiques deux avancées critiques pour la réalisation d’un ordinateur quantique. Les chercheurs ont été capables de détecter et de mesurer simultanément les deux types d’erreurs quantiques. Les chercheurs ont également développé une nouvelle conception de circuit de bit quantique qui pourrait être utilisé pour un plus grand nombre de qbits55 ;
  • en juillet 2015, 2 chercheurs prétendent avoir trouvé un algorithme quantique qui résout en temps polynomial le problème SAT56 ;
  • en octobre 2015, des chercheurs de l’université de Nouvelle-Galles du Sud ont construit pour la première fois une porte logique quantique en silicium57 ;
  • premier trimestre 2016 : la revue Nature Photonics signale que des chercheurs « du CNRS, de l’université Paris Diderot et de l’université Paris-Sud » font avancer une voie utilisant les photons en mettant au point une source de paires de photons intriqués « 15 fois plus brillante que les sources usuelles »58 ;
  • IBM annonce au deuxième trimestre 2016 sa mise à disposition de moyens de calcul quantiques par Internet59 ;
  • en août 2016, les scientifiques de l’Université du Maryland construisent avec succès le premier ordinateur quantique reprogrammable60,61 ;
  • 26 octobre 2016 : la découverte de particules similaires aux fermions de Majorana est annoncée comme ouvrant de nouvelles voies possibles au calcul quantique62 ;
  • en octobre 2016, l’Université de Bâle décrit une variante d’ordinateur quantique basé sur des trous d’électrons qui, au lieu de manipuler des spins d’électrons, utilise des trous électroniques dans un semi-conducteur à basse température qui sont beaucoup moins vulnérables à la décohérence. Le prototype a été baptisé ordinateur quantique « positronique » car la quasi-particule se comporte comme si elle avait une charge électrique positive63 ;
  • 7 novembre 2016 : la compagnie Atos dirigée par Thierry Breton lance un programme de simulation de calcul quantique afin que des algorithmes soient mis au point et prêts dès la disponibilité éventuelle de circuits quantiques généraux. Le calculateur serait simulé en attendant cette disponibilité sur supercalculateur Bull Sequana (avril 2016) qui devrait atteindre 1 exaFLOPS, soit 1018opérations flottantes par seconde64 ;
  • 22 novembre 2016 : Microsoft annonce que l’informatique quantique est désormais en tête de ses priorités et qu’elle lui voit davantage d’avenir qu’aux PC65 ;
  • en 2016, le professeur Gérard Berry, du Collège de France, rappelle que la machine actuelle de D-Wave n’est pas un calculateur quantique général, mais optimisé pour un type de calcul nommé le recuit simulé, qui se prête bien au calcul quantique. Sans minimiser la portée de cette réalisation, il invite à relativiser pour le moment tout enthousiasme prématuré 66
    2017

En 2017, les avancées chez Google, Intel et plusieurs autres groupes de recherche suggèrent que la réalisation d’ordinateurs quantiques à grand nombre de qbits sera peut-être accessible d’ici 4 à 5 ans. Ceci est rendu notamment possible par la disponibilité accrue de financement d’entreprises telles que Google, IBM, Intel et Microsoft pour la recherche et le développement de technologies variées nécessaires à la création d’un ordinateur quantique fonctionnel67.

D’après Harmut Neven, responsable des recherches en calcul quantique chez Google, son équipe est sur le point de construire un système de 49 qubits d’ici la fin de l’année. Le nombre d’environ 50 qubits correspond au seuil, connu sous le nom de suprématie quantique, au-delà duquel aucun superordinateur classique ne serait capable de gérer la croissance exponentielle de la mémoire et la bande passante de communication nécessaire pour simuler son équivalent quantique. En d’autres termes, les superordinateurs peuvent actuellement donner les mêmes résultats que des ordinateurs quantiques de 5 à 20 qubits, mais à partir de 50 qubits cela devient physiquement impossible67.

D’après Neven, des systèmes de 100 000 qubits révolutionneraient les industries des matériaux, de la chimie et des médicaments en rendant possibles des modèles moléculaires extrêmement précis. Un système d’un million de qubits, dont les applications informatiques générales sont encore difficiles à comprendre serait même concevable d’ici 10 ans67.

  • en mars 2017, des chercheurs de l’Université du Maryland réussissent à implémenter sur un ordinateur quantique programmable un algorithme de recherche développé 20 ans plus tôt en 1996 par les laboratoires Bell68. Ce travail ouvre la voie à des expérimentations plus ambitieuses comme le décryptage69 ;
  • mai 2017, IBM dévoile des nouveaux systèmes équipés de 16 et 17 bits quantiques (qubits) de volume quantique70 ce qui représente une importante progression par rapport aux systèmes de 5 qubits précédents. À cette occasion IBM a confirmé son objectif de faire passer ses systèmes à 50 qubits ou plus dans les prochaines années71. IBM permet notamment aux chercheurs de tester leurs algorithmes sur ces nouveaux systèmes grâce à un service en ligne72.
  • juin 2017 : le 20 juin, Rigetti Quantum Computing Inc., ouvre son usine Fab-1, pour produire des galettes de silicium (’wafers’) destinées au calcul quantique73
  • juillet 2017 : le 4 juillet, à Bruxelles, est lancée la commercialisation de l’ATOS QLM (Quantum Learning Machine) permettant pour 100 000 euros de simuler 30 qubits. Le QLM pourra être étendu à 40 qubits par ajout de modules plats empilables genre pizza box. Leurs processeurs ne comportent pas plus de vingt cœurs, mais embarquent des centaines de gigaoctets de mémoire vive74.
  • À Moscou est présenté le même mois le premier simulateur quantique de 51 qubits au monde par Mikhail Lukin et quelques scientifiques russes et américains de l’Université Harvard sous sa direction75,76. Le simulateur quantique de Lukin n’est pas un ordinateur quantique universel et le système n’est conçu que pour résoudre une équation spécifique qui modélise les interactions entre certains atomes77.
  • septembre 2017 : IBM réussit à simuler précisément la structure moléculaire de l’hydrure de béryllium (BeH2) sur un ordinateur quantique. Ces travaux montrent l’utilité des ordinateurs quantiques pour déterminer l’état de plus basse énergie (état non-excité) de molécules78,79. Ces travaux pourraient à terme permettre de déterminer par exemple la structure et la fonction des protéines beaucoup plus rapidement qu’aujourd’hui80. La chimie et la médecine devraient bénéficier grandement du développement des calculateurs quantiques79.
  • octobre 2017 : la société Intel annonce à son tour un circuit de calcul quantique à 17 qubits81.
  • novembre 2017 : IBM réussit à faire fonctionner un calculateur à 50 qubits pendant 90 microsecondes atteignant le seuil théorique de la suprématie quantique82,83.
  • en 2017 : la société D-Wave annonce la commercialisation d’un ordinateur quantique de 2000 qubits 84
    2018
  • Janvier 2019 : IBM dévoile au CES le premier ordinateur quantique « compact » de 20 qubits dénommé IBM Q System One (en)89. Il représente un cube de verre de 2,74 mètres de côté (un volume de 20 m3). À l’intérieur, outre des composants électroniques, se trouvent une cuve d’hélium liquide et tout un équipement cryogénique qui doivent permettre aux qubits (quantum bits, la forme prise par l’information dans les ordinateurs quantiques) de fonctionner dans les conditions qui lui sont propres, soit une température proche du zéro absolu90.
  • Octobre 2019 : Google annonce avoir atteint la suprématie quantique, en partenariat avec la Nasa et le Laboratoire national d’Oak Ridge (ORNL)91 au moyen d’un ordinateur de 53 qubits appelé Sycamore92.
    2020
  • En mars 2020, la société Honeywell annonce des résultats prometteurs93 à partir d’ions d’yttrium94.
  • Juin 2020 : Atos fournit le QLM-E, nouveau simulateur quantique 12 fois plus puissant que son précédent modèle95.
  • Juillet 2020 : le remplacement de la notion de qubit par celle de volume quantique tenant compte du taux d’erreurs, proposé par IBM et adopté par Honeywell est entériné96.
    Projets en cours

De nombreux projets sont en cours à travers le monde pour construire concrètement des qubits viables et les réunir dans un circuit. Ces recherches mettent en œuvre de la physique théorique pointue. Les projets suivants semblent avancer à un rythme intéressant :

  • les circuits supraconducteurs avec jonction Josephson, technologie sur laquelle IBM avait investi pour le calcul classique dans les années 1978-198597. Cette technique permettrait d’envisager des circuits suffisamment résistants à la décohérence. Pour l’instant elle ne permet de coupler qu’au plus deux qubits, mais des recherches sont en cours pour en coupler davantage à l’aide d’un résonateur et d’un SQUID ;
  • les ions piégés ; cette technique a permis le système possédant le plus de qubits intriqués.[réf. nécessaire] ;
  • la résonance magnétique nucléaire ;
  • les atomes provenant d’un condensat de Bose-Einstein piégés dans un réseau optique ;
  • les cavités optiques ou micro-ondes résonnantes ;
  • les boîtes quantiques (« quantum dots » en anglais) : ce sont des systèmes macroscopiques qui possèdent, malgré tout, les caractéristiques quantiques nécessaires pour l’élaboration d’un calculateur quantique. On appelle parfois de tels systèmes des atomes artificiels. Cette technique utilise des matériaux courants dans l’industrie des semi-conducteurs : silicium ou arséniure de gallium. Elle se subdivise en deux branches : l’une exploitant la charge électrique des qubits, l’autre leur spin (voir l’article spintronique).
  • beaucoup d’autres projets plus ou moins avancés.
    Plusieurs projets semblent susceptibles d’exploitation industrielle, mais les problèmes de base demeurent. Des recherches sont ainsi entreprises pour réaliser un ordinateur quantique à base solide, comme le sont nos microprocesseurs actuels. Ces recherches ont entre autres mené l’université du Michigan à une puce de calcul quantique capable d’être fabriquée en série, sur les lignes de productions existant actuellement. Cette puce permet en effet d’isoler un ion et de le faire léviter dans un espace confiné, à l’intérieur de la puce.

Prix Nobel 2012

Le prix Nobel de physique 2012 a été décerné conjointement à Serge Haroche et David Wineland pour leurs travaux conjoints sur le maintien et l’observation des qubits98.

Principe de fonctionnement des calculateurs quantiques

Le fonctionnement des calculateurs quantiques est déterministe alors que la mécanique quantique est surtout connue pour son aspect probabiliste.

Un circuit de calcul, ou une position de mémoire, quantique pourrait être implémenté à partir de toute particule pouvant avoir deux états à la fois excité et non excité au même momentf. Ils peuvent être construits à partir de photons présents à deux endroits au même moment, ou à partir de protons et de neutrons ayant un spin positif, négatif ou considérés avoir les deux en même temps tant qu’ils ne sont pas observés99.

Ce ’brouillard de valeurs’ ne prend un sens que si l’on peut établir un calcul le faisant converger vers un état déterministe (par exemple ’Oui ou non, le 432e chiffre de la clé peut-il être un 7 ?’)

Idées de la mécanique quantique

Les fonctions d’onde, qui décrivent l’état d’un système, sont issues de calculs déterministes. La source d’aléa est dans l’acte d’observation lui-même, c’est-à-dire la mesure. À la suite d’une mesure, le système quantique se fixe dans un état classique avec une certaine probabilité. On peut éliminer cette incertitude en formulant des expressions ne se traduisant que par oui ou par non (par exemple : « cette combinaison est compatible avec la clé » / « cette combinaison ne peut pas être la clé ». Pour certains algorithmes, il est nécessaire d’effectuer les calculs plusieurs fois jusqu’à ce que la réponse vérifie une certaine propriété.

En mécanique quantique, une particule peut posséder de multiples états simultanément : l’état de la particule est une superposition d’états possibles. Ce principe est illustré par la métaphore du chat de Schrödinger qui est, avant observation, à la fois mort et/ou vivant.

La mécanique quantique ne rend pas compte de notre ignorance du système mais décrit objectivement l’état de celui-ci. Les particules en puissance (elles n’en seront qu’après détection) possèdent bien cet état superposé et il en découle quelques propriétés inhabituelles à notre échelle. Une mesure sur un système quantique fixerait le système, avec des probabilités données par la fonction d’onde, dans un des états possibles alors constatable par tous les autres observateurs sans aléa. L’interprétation d’Everett propose une signification possible de ce phénomène. Un calcul quantique ne possède d’intérêt pratique que si l’algorithme qui le pilote peut forcer chaque qubit de la réponse cherchée (c’est-à-dire le signal de sortie du calculateur), une clé de chiffrement, par exemple, à une des valeurs 0 ou 1 avec une probabilité de 1. De tels algorithmes, comme ceux de Grover et de Shor, existent.

Le qubit Article détaillé : Qubit.

Pour lire l’article en entier > voir https://fr.wikipedia.org/wiki/Calculateur_quantique

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21.
L’ Ordinateur quantique - Interview de Claude Aslangul par Laurent Sacco Journaliste – Document ‘futura-sciences.com’ - Lire la bioLaurent Sacco Journaliste

[En vidéo] - Interview  : en quoi un ordinateur quantique est-il différent ? Le monde quantique est fascinant : à cette échelle, par exemple, les objets peuvent se trouver simultanément dans plusieurs états. Exploitant ce principe, un ordinateur quantique aurait des possibilités bien plus vastes qu’un modèle classique. Dans le cadre de sa série de vidéos Questions d’experts, sur la physique et l’astrophysique, l’éditeur De Boeck a interrogé Claude Aslangul, professeur à l’UPMC, afin qu’il nous explique le fonctionnement de cette étrange machine. Et selon Wikipédia, « Claude Aslangul, né en 1945, est un physicien français1, spécialiste en mécanique quantique2 et en physique statistique… ».

Un ordinateur quantique est l’équivalent des ordinateurs classiques mais qui effectuerait ses calculs en utilisant directement les lois de la physique quantique et, à la base, celle dite de superposition des états quantiques. Alors qu’un ordinateur classique manipule des bits d’information, qui sont soit des 0 soit des 1, un ordinateur quantique utilise des qubits. Ceux-ci sont des généralisations des bits classiques, qui sont en quelque sorte une superposition simultanée de ces deux états, comme peut l’être, par exemple, un état de spin pour un photon ou un électron.

Dans certains cas, un ordinateur quantique peut faire des calculs beaucoup plus rapidement qu’un ordinateur classique. Il faudrait toutefois disposer pour cela d’un très grand nombre de qubits. Or, cela ne va pas de soi. Car plus ce nombre est grand, plus la superposition des états quantiques est instable et peut disparaître avant que le calcul demandé ne soit mené à terme.

Les physiciens savent déjà faire quelques ordinateurs quantiques, mais ceux-ci sont très élémentaires, et beaucoup pensent que seuls des simulateurs quantiques - des calculateurs spécialisés dans la résolution de problèmes bien particuliers et pas des machines de Turing universelles programmables en théorie pour pouvoir effectuer n’importe quel algorithme - seront vraiment en mesure de concurrencer des ordinateurs classiques. La course à ces machines, ordinateurs ou simplement simulateurs quantiques, est lancée de par le monde et fait l’objet d’une compétition entre des grands acteurs de l’informatique comme IBM et Google.

L’origine des ordinateurs quantiques

Le grand physicien Richard Feynman a été un des premiers à comprendre au début des années 1980 que l’on pouvait mettre à profit les lois de la mécanique quantique pour simuler et mieux comprendre des systèmes quantiques à l’aide d’autres systèmes quantiques. Il se trouve en effet, notamment dans le domaine de la chimie quantique et de la physique du solide que l’on soit assez rapidement limité par le volume de calculs nécessaires pour les simuler à l’aide d’ordinateurs classiques. Mais comme l’explique Feynman dans son célèbre ouvrage Leçons sur l’informatique, il est possible au minimum de faire des calculateurs ou des simulateurs quantiques qui permettent de contourner l’obstacle. On doit pour cela, comme on l’a expliqué précédemment, utiliser des généralisations des bits d’information classique que l’on appelle des qubits et construire des portes logiques quantiques qui opèrent sur ces qubits. Comme l’indique le physicien Claude Aslangul dans la vidéo ci-dessus, la superposition quantique et le phénomène d’intrication quantique permettent alors, en quelque sorte, d’effectuer un grand nombre de calculs en parallèle.

La recherche sur les ordinateurs quantiques, ou plus généralement sur les possibilités ouvertes par ce que l’on appelle l’information et les calculs quantiques s’est bien développée depuis une dizaine d’années comme le prouve le livre de Scott Aaronson, Quantum Computing since Democritus. Mais il y a toutefois encore quelques confusions qui règnent dans les médias en ce qui concerne ce que peuvent faire ou ne pas faire des ordinateurs ou des calculateurs quantiques.

Ordinateurs et calculateurs quantiques ne sont pas la même chose

Un ordinateur quantique, comme tout ordinateur, est censé pouvoir être programmable pour exécuter n’importe quel algorithme quantique. Un calculateur quantique ne peut exécuter qu’un seul algorithme ou pour le moins, une classe d’algorithme. On ne peut le programmer pour effectuer n’importe quelle tâche. En outre, s’il est bien exact que certains algorithmes quantiques sont capables, si l’on dispose d’un assez grand nombre de qubits, de battre à plate couture un ordinateur classique, cela ne signifie nullement qu’un ordinateur quantique est systématiquement plus performant qu’un ordinateur classique.

Pire, quand un algorithme quantique semble plus rapide qu’un calcul sur ordinateur classique, il est tout à fait possible que le premier soit finalement un jour battu par le second à la faveur d’un algorithme plus efficace. La supériorité souvent avancée des ordinateurs quantiques pourrait bien être toute relative. De fait, c’est ce qui s’est produit avec un buzz exagéré par beaucoup de médias en ce qui concerne un calculateur quantique, et pas un ordinateur, utilisé par les chercheurs de Google.

Enfin, il y a aussi avec les ordinateurs ou les calculateurs quantiques, le formidable problème de la décohérence quantique, l’influence des perturbations de l’environnement qui dégrade d’autant plus rapidement un calcul quantique qu’il repose sur un nombre de plus en plus élevé de qubits. On ne sait toujours pas s’il est possible de s’en affranchir, même s’il est sans doute possible d’en limiter les effets avec des codes correcteurs d’erreurs quantiques analogues à ceux déjà utilisés avec les ordinateurs classiques. De fait, lors de l’interview qu’il avait accordé à Futura-Sciences, le cosmologiste Max Tegmark, qui s’intéresse à ces ordinateurs, nous avait dit que les experts du domaine qu’il avait consulté ne s’attendaient pas, en général, à la réalisation d’un ordinateur quantique performant avant 2050.

La décohérence et les divers ordinateurs quantiques possibles

Le problème de la décohérence peut se comparer à la construction d’un château de cartes : chaque carte représente un qubit. Pour bâtir un processeur, il faut fabriquer un château, le plus grand possible si l’on veut un gros processeur. La décohérence, c’est un coup de vent qui vient abattre l’édifice. Pour parer à ce problème, il faut isoler notre château de son environnement, et en particulier de tout souffle de vent. Imaginons donc que ce château de cartes soit un calculateur très puissant, mais qu’il s’écroulerait si souvent et si vite qu’aucun calcul pratique n’aurait le temps d’être réalisé.

Plusieurs voies sont explorées dans de nombreux laboratoires dans le monde pour tenter de contourner l’obstacle de la décohérence et permettre la réalisation pratique de calculateurs quantiques. On a essentiellement deux approches permettant de fabriquer des qubits :

  • les circuits « solides », comme des circuits supraconducteurs ou des boîtes quantiques ;
  • des systèmes plus « exotiques », comme des ions piégés, les centres colorés du diamant, etc.
    La première solution présente un avantage considérable : des circuits avec des jonctions Josephson comme ceux étudier à l’Institut Néel, ou que D-Wave Systems affirme utiliser pour ses calculateurs quantiques, sont en théorie réalisables en grand nombre sur une puce, comme on le fait actuellement pour les processeurs. C’est la notion de circuit intégré. Ce n’est pas gagné, mais cela devrait pouvoir marcher.

Par contre, énorme désavantage, ces circuits sont très sensibles à la décohérence, et on peut raisonnablement penser qu’un processeur quantique à base de jonctions Josephson ne marchera qu’à de très basses températures. De fait, la puce de D-Wave Two est censée fonctionner à une température de 20 mK environ, ce qui est très proche du zéro absolu. Ceci dit, pour des applications très spécifiques, c’est-à-dire non grand public, ce problème peut être géré. Bien entendu, il ne faudrait donc pas s’imaginer avoir un jour des ordinateurs quantiques personnels : à ce jour, la cryogénie n’est pas vraiment portable...

Lorsque l’on se tourne vers la deuxième solution, les dispositifs réalisés fonctionnent à température ambiante. Ceux avec des ions piégés résistent particulièrement bien aux perturbations de l’environnement, avec un temps de décohérence long. Par contre, faire fonctionner un grand nombre de qubits de ce type posera de nombreux autres problèmes : à l’heure actuelle, on ne voit pas comment on pourrait « intégrer » de tels systèmes sur une puce...

Une autre approche envisagée pour lutter contre la décohérence suppose d’utiliser des codes quantiques. Il s’agit de l’analogue dans le domaine de l’information quantique des codes correcteurs d’erreurs bien connus dans le cadre de la théorie de l’information classique.

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La nouvelle technologie e-robot : Futura sciences

Source : https://www.futura-sciences.com/sciences/actualites/physique-ordinateur-quantique-futur-pourrait-etre-radioactif-35044/

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