La bataille de la cohérence quantique
Publié par Redbran le 25/04/2019 à 14:00
Source: CEA IRIG

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L'ordinateur quantique est la rencontre de deux univers très différents: celui des physiciens et les chercheurs de l'informatique théorique. Lorsque ces deux univers se rencontrent, les conclusions sont inattendues.

L'ordinateur quantique (Un ordinateur quantique (ou rarement calculateur quantique) repose sur des propriétés quantiques de la matière : superposition et intrication d'états quantiques. De petits ordinateurs quantiques...) est la rencontre de deux univers (L'Univers est l'ensemble de tout ce qui existe et les lois qui le régissent.) très différents. D'un côté celui des physiciens qui depuis une vingtaine d'année (Une année est une unité de temps exprimant la durée entre deux occurrences d'un évènement lié à la révolution de la Terre autour du Soleil.) parviennent à contrôler des états quantiques de plus en plus complexes ; c'est la seconde ( Seconde est le féminin de l'adjectif second, qui vient immédiatement après le premier ou qui s'ajoute à quelque chose de nature identique. La seconde est une unité de...) révolution quantique. De l'autre les chercheurs de l'informatique (L´informatique - contraction d´information et automatique - est le domaine d'activité scientifique, technique et industriel en rapport avec le traitement automatique de l'information par des machines telles que les...) théorique imaginent un nouveau type de calcul qui exploiterait la mécanique quantique (Fille de l'ancienne théorie des quanta, la mécanique quantique constitue le pilier d'un ensemble de théories physiques qu'on regroupe sous l'appellation générale de physique quantique....) pour obtenir des performances inimaginables avec les ordinateurs existants. Aujourd'hui, un effort important est déployé pour essayer de faire se rencontrer ces deux univers.

Le bit quantique qui généralise le 0 et le 1 de nos ordinateurs est un objet (De manière générale, le mot objet (du latin objectum, 1361) désigne une entité définie dans un espace à trois dimensions, qui a une fonction précise, et qui peut être désigné par une étiquette...) continu: il est décrit par une petite aiguille qui peut pointer continûment entre le 0 et le 1. La puissance (Le mot puissance est employé dans plusieurs domaines avec une signification particulière :) supposée de l'ordinateur (Un ordinateur est une machine dotée d'une unité de traitement lui permettant d'exécuter des programmes enregistrés. C'est un...) quantique provient d'un phénomène appelé intrication: si une seule aiguille est suffisante pour décrire un bit quantique, il en faut en revanche un nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) exponentiel 2N pour décrire l'état d'une machine à N bits quantiques. Ainsi, l'état d'une machine à seulement 30 bits quantique est décrit par plus d'un milliard (Un milliard (1 000 000 000) est l'entier naturel qui suit neuf cent quatre-vingt-dix-neuf millions neuf cent quatre-vingt-dix-neuf mille neuf cent quatre-vingt-dix-neuf (999 999 999) et précède un milliard un...) de petites aiguilles. Cette prolifération de degrés de liberté permettrait d'effectuer des calculs massivement en parallèle.


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Mais l'intrication est aussi le cauchemar (Le mot cauchemar est un terme générique utilisé de façon variable pour désigner des manifestations anxieuses et angoissantes survenant pendant le sommeil.) de l'ordinateur quantique car il faut parvenir à contrôler avec précision toutes ces petites aiguilles tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) en évitant qu'elles ne soient perturbées par les autres degrés de liberté présents autour (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne à 31 espèces d'oiseaux qui, soit appartiennent au genre Accipiter, soit constituent les 5 genres...) d'elles (vibration des atomes (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps simple pouvant se combiner...), fluctuations du champ électromagnétique (Le champ électromagnétique est le concept central de l'électromagnétisme. On le conçoit souvent comme composition des deux champs vectoriels que l'on peut mesurer indépendamment : le champ électrique E et le champ magnétique B....)...). Pour tenter de contrôler ce problème de précision, les chercheurs de l'informatique théorique ont imaginé des "codes de correction d'erreurs quantique" où on utilise de nombreux bits quantiques pour former un unique méta-bit quantique.

Dans un travail récent, Xavier Waintal, chercheur (Un chercheur (fem. chercheuse) désigne une personne dont le métier consiste à faire de la recherche. Il est difficile de bien cerner le métier de chercheur tant les domaines de...) au laboratoire Photonique Electronique et Ingénierie (L'ingénierie désigne l'ensemble des fonctions allant de la conception et des études à la responsabilité de la construction et au contrôle des...) Quantiques de l'IRIG a examiné ces codes du point (Graphie) de vue (La vue est le sens qui permet d'observer et d'analyser l'environnement par la réception et l'interprétation des rayonnements lumineux.) d'un physicien (Un physicien est un scientifique qui étudie le champ de la physique, c'est-à-dire la science analysant les constituants fondamentaux de l'univers et les forces qui les relient. Le mot...).

Ses conclusions sont assez pessimistes: il manque aujourd'hui de très nombreux ordres de grandeurs à nos technologies quantiques pour que cette voie soit envisageable. D'autres voies, comme la simulation quantique, seraient beaucoup plus tolérantes au problème de la décohérence.

Note:

En informatique quantique (L'informatique quantique est le sous-domaine de l'informatique qui traite des ordinateurs quantiques utilisant des phénomènes de la mécanique quantique, par opposition à ceux de...), un bit quantique ou qubit (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...) est l'état quantique (En mécanique quantique, l'état d'un système décrit tous les aspects du système physique. Il est représenté par un objet mathématique qui donne le maximum...) qui représente la plus petite unité de stockage d'information quantique. Une mémoire (D'une manière générale, la mémoire est le stockage de l'information. C'est aussi le souvenir d'une information.) à qubits diffère significativement d'une mémoire classique par le fait qu'un bit ne peut prendre que les valeurs 0 et 1, et une seule à la fois. Un qubit n'a pas cette restriction.

En mécanique (Dans le langage courant, la mécanique est le domaine des machines, moteurs, véhicules, organes (engrenages, poulies, courroies, vilebrequins, arbres de...) quantique, l'intrication quantique est un phénomène dans lequel deux particules forment un système lié et présentent des états quantiques dépendant l'un de l'autre quelle que soit la distance qui les sépare.

Un code de correction d'erreur quantique (QEC) utilise Nc bits quantiques pour construire un bit quantique "logique (La logique (du grec logikê, dérivé de logos (λόγος), terme inventé par Xénocrate signifiant à la fois raison,...)" de meilleure qualité que le bit "physiques" initial.


Références publication:
Waintal X. What determines the ultimate precision of a quantum (En physique, un quantum (mot latin signifiant « combien » et qui s'écrit « quanta » au pluriel) représente la plus petite mesure...) computer? Physical Review A, 2019
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