Qubit - Définition

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On nomme qubit (quantum + bit ; prononcé /kyoobit/), parfois écrit qbit, l'état quantique qui représente la plus petite unité de stockage d'information quantique. Il se compose d'une superposition de deux états de base, par convention nommés |0> et |1> (prononcés : ket 0 et ket 1). Un état qubit est constitué d'une superposition (En mécanique quantique, le principe de superposition stipule qu'un même état quantique peut...) quantique linéaire de ces deux états. Une mémoire (D'une manière générale, la mémoire est le stockage de l'information. C'est aussi le souvenir...) à qubits diffère significativement d'une mémoire classique :

Un bit (Le bit est un chiffre binaire, c'est-à-dire 0 ou 1. Il est donc aussi une unité de mesure...) classique se trouve toujours soit dans l'état 0, soit dans l'état 1. Un qubit peut quant à lui être soit dans l'état 0, soit dans l'état 1, soit dans une superposition de 0 et 1. Mais ce n'est pas un troisième état, c'est une infinité d'autres états. En général, le qubit est dans l'état \alpha \cdot \left| 0 \right\rangle + \beta \cdot \left| 1 \right\rangle, les coefficients étant des nombres complexes vérifiant | α | 2 + | β | 2 = 1. En fait, on peut postuler arbitrairement que α est un nombre réel (En mathématiques, un nombre réel est un objet construit à partir des nombres...) positif, car multiplier un état par un nombre complexe (Les nombres complexes forment une extension de l'ensemble des nombres réels. Ils permettent...) de module 1 donne le même état.

Lors de la mesure de la valeur du qubit, les seuls réponses pouvant êtres obtenues sont 0 ou 1. La probabilité (La probabilité (du latin probabilitas) est une évaluation du caractère probable d'un...) de mesurer l'état 0 vaut | α | 2, tandis que celle de mesurer l'état 1 vaut | β | 2. Après mesure, le qubit se trouve dans l'état mesuré.

Une autre particularité du qbit par rapport à un bit classique est qu'il ne peut être dupliqué. En effet, pour le dupliquer, il faudrait pouvoir mesurer α et β d'un qbit (tout en préservant l'état du qbit), de sorte à préparer un autre qbit dans le même état \alpha \cdot \left| 0 \right\rangle + \beta \cdot \left| 1 \right\rangle. Ceci est doublement impossible : 1) Il est impossible de lire un qbit sans détruire définitivement son état (puisque après mesure le qbit est dans l'état mesuré). 2) Une mesure d'un qbit ne donne (et ne peux donner) aucune information sur α et β puisque le résultat est soit \left| 0 \right\rangle soit \left| 1 \right\rangle ce qui équivaut à (α,β) = (1,0) ou (0,1), ce qui ne correspond pas aux valeurs initiales de α et β.

En revanche, il est possible de transporter l'état (la valeur) d'un qbit sur un autre qbit (le premier qbit est réinitialisé), par un processus de téléportation quantique (La téléportation quantique est un protocole de communications quantiques consistant...). Mais ce processus ne donne aucune information sur α et β.

L'enjeu de l'informatique quantique (L'informatique quantique est le sous-domaine de l'informatique qui traite des ordinateurs...) est de concevoir des algorithmes, et les structures physiques pour les exécuter, tels que toutes les propriétés de la superposition soient utilisées pour le calcul, les qubits devant à la fin de l'exécution se trouver dans un état donnant le résultat de calcul sans risque d'obtenir un résultat aléatoire. On ne peut donc pas obtenir plus de données (Dans les technologies de l'information (TI), une donnée est une description élémentaire, souvent...) en autant de cycles qu'avec un ordinateur (Un ordinateur est une machine dotée d'une unité de traitement lui permettant...) classique, mais on peut obtenir des résultats qui nécessiteraient plus de cycles. Pour la Science a par exemple expliqué qu'un algorithme quantique pouvait répondre à la question, à propos de deux cartes à jouer, "les deux cartes sont-elles de la même couleur (La couleur est la perception subjective qu'a l'œil d'une ou plusieurs fréquences d'ondes...)", en autant de cycles qu'un algorithme classique en aurait besoin (Les besoins se situent au niveau de l'interaction entre l'individu et l'environnement. Il est...) pour donner la couleur d'une seule des cartes. L'algorithme classique ne pouvait en revanche pas déterminer si les deux cartes étaient de la même couleur sans connaître les couleurs des deux cartes (attention, à la fin de l'exécution de l'algorithme quantique, on ne connait pas les couleurs, on sait juste si elles sont identiques ou non).

L'intérêt principal de l'ordinateur quantique (Un ordinateur quantique (ou rarement calculateur quantique) repose sur des propriétés quantiques...) serait que sa puissance (Le mot puissance est employé dans plusieurs domaines avec une signification particulière :) est une fonction exponentielle (La fonction exponentielle est l'une des applications les plus importantes en analyse, ou plus...) au sens (SENS (Strategies for Engineered Negligible Senescence) est un projet scientifique qui a pour but...) propre du nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre...) de qubits. En effet, si un qubit est dans une quelconque superposition d'états \alpha \cdot \left| 0 \right\rangle + \beta \cdot \left| 1 \right\rangle, deux qubits réunis sont quand à eux dans une superposition d'états \alpha \cdot \left| 00 \right\rangle + \beta \cdot \left| 01 \right\rangle + \gamma \cdot \left| 10 \right\rangle + \delta \cdot \left| 11 \right\rangle, avec | α | 2 + | β | 2 + | γ | 2 + | δ | 2 = 1. Il s'agit cette fois d'employer la superposition des quatre états pour le calcul. Avec 10 qubits, on a 1024 états superposables, et avec n qubits, 2n. Donc, quand un opérateur (Le mot opérateur est employé dans les domaines :) est appliqué à l'ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection...) des qubits, il est appliqué à 2n états en même temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le...), ce qui équivaut à un calcul parallèle (En informatique, le calcul parallèle consiste en l'exécution simultanée d'une même tâche,...) sur 2n données en même temps. C'est pourquoi la puissance de calcul théorique d'un ordinateur quantique double à chaque fois qu'on lui adjoint un qubit.

Le Commissariat à l'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la...) atomique a réalisé un élément de circuit quantique baptisé quantronium. (lien). Une vue (La vue est le sens qui permet d'observer et d'analyser l'environnement par la réception et...) d'artiste (Est communément appelée artiste toute personne exerçant l'un des métiers ou activités...) symbolisant l'état de superposition a été réalisée pour illustrer l'annonce. (lien)

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