Comment fonctionnent les ordinateurs quantiques

Un ordinateur quantique est une conception informatique qui utilise les principes de la physique quantique pour augmenter la puissance de calcul au-delà de ce qui est possible avec un ordinateur traditionnel. Les ordinateurs quantiques ont été construits à petite échelle et le travail se poursuit pour les mettre à niveau vers des modèles plus pratiques.

Les ordinateurs fonctionnent en stockant les données dans un nombre binaire format, ce qui entraîne une série de 1 et 0 conservés dans les composants électroniques tels que transistors. Chaque composant de la mémoire de l'ordinateur est appelé bit et peut être manipulé à travers les étapes de la logique booléenne de sorte que les bits changent, en fonction de la algorithmes appliqués par le programme informatique, entre les modes 1 et 0 (parfois appelés "on" et "de").

Un ordinateur quantique, d'autre part, stockerait les informations sous la forme d'une superposition 1, 0 ou quantique des deux états. Un tel "bit quantique" permet une flexibilité beaucoup plus grande que le système binaire.

Plus précisément, un ordinateur quantique serait capable d'effectuer des calculs sur un ordre de grandeur beaucoup plus grand que les ordinateurs traditionnels... un concept qui a de sérieuses préoccupations et applications dans le domaine de la cryptographie et du cryptage. Certains craignent qu'un ordinateur quantique réussi et pratique ne détruise le système financier mondial en déchirant la sécurité de leur ordinateur les cryptages, qui sont basés sur la prise en compte d'un grand nombre qui ne peuvent littéralement pas être piratés par les ordinateurs traditionnels pendant la durée de vie du univers. Un ordinateur quantique, d'autre part, pourrait factoriser les nombres dans une période de temps raisonnable.

Pour comprendre comment cela accélère les choses, considérez cet exemple. Si le qubit est dans une superposition de l'état 1 et de l'état 0, et il a effectué un calcul avec un autre qubit dans le même superposition, puis un calcul obtient en fait 4 résultats: un résultat 1/1, un résultat 1/0, un résultat 0/1 et un 0/0 résultat. Ceci est le résultat des mathématiques appliquées à un système quantique lorsqu'il est dans un état de décohérence, qui dure alors qu'il est dans une superposition d'états jusqu'à ce qu'il s'effondre en un seul état. La capacité d'un ordinateur quantique à effectuer plusieurs calculs simultanément (ou en parallèle, en termes informatiques) est appelée parallélisme quantique.

Le mécanisme physique exact à l'œuvre au sein de l'ordinateur quantique est quelque peu théoriquement complexe et intuitivement dérangeant. Généralement, il est expliqué en termes d'interprétation multi-monde de la physique quantique, où l'ordinateur effectue des calculs non seulement dans notre univers mais aussi dans autre univers simultanément, tandis que les différents qubits sont dans un état de décohérence quantique. Bien que cela semble tiré par les cheveux, il a été démontré que l'interprétation multi-monde fait des prédictions qui correspondent aux résultats expérimentaux.

L'informatique quantique a tendance à remonter à un discours de 1959 de Richard P. Feynman dans lequel il a parlé des effets de la miniaturisation, y compris l'idée d'exploiter les effets quantiques pour créer des ordinateurs plus puissants. Ce discours est également généralement considéré comme le point de départ de nanotechnologie.

Bien sûr, avant que les effets quantiques de l'informatique ne puissent se réaliser, les scientifiques et les ingénieurs devaient développer plus complètement la technologie des ordinateurs traditionnels. C'est pourquoi, pendant de nombreuses années, il n'y a eu que peu de progrès directs, ni même d'intérêt, dans l'idée de concrétiser les suggestions de Feynman.

En 1985, l'idée de «portes logiques quantiques» a été avancée par David Deutsch de l'Université d'Oxford, comme moyen d'exploiter le domaine quantique à l'intérieur d'un ordinateur. En fait, l'article de Deutsch sur le sujet a montré que tout processus physique pouvait être modélisé par un ordinateur quantique.

Près d'une décennie plus tard, en 1994, Peter Shor d'AT & T a conçu un algorithme qui ne pouvait utiliser que 6 qubits pour effectuer certaines factorisations de base... plus il y avait de coudées, plus les nombres nécessitant une factorisation devenaient complexes.

Une poignée d'ordinateurs quantiques a été construite. Le premier, un ordinateur quantique à 2 qubits en 1998, pourrait effectuer des calculs triviaux avant de perdre la décohérence après quelques nanosecondes. En 2000, les équipes ont réussi à construire à la fois un ordinateur quantique à 4 et 7 bits. Les recherches sur le sujet sont toujours très actives, bien que certains physiciens et ingénieurs expriment des inquiétudes quant aux difficultés liées à l'extension de ces expériences à des systèmes informatiques à grande échelle. Pourtant, le succès de ces premières étapes montre que la théorie fondamentale est solide.

Le principal inconvénient de l'ordinateur quantique est le même que sa force: la décohérence quantique. Les calculs de qubit sont effectués alors que la fonction d'onde quantique est dans un état de superposition entre les états, ce qui lui permet d'effectuer les calculs en utilisant à la fois les états 1 et 0 simultanément.

Cependant, lorsqu'une mesure de tout type est effectuée sur un système quantique, la décohérence se décompose et la fonction d'onde s'effondre dans un seul état. Par conséquent, l'ordinateur doit en quelque sorte continuer à faire ces calculs sans faire de mesures jusqu'au moment approprié, lorsque il peut alors sortir de l'état quantique, avoir une mesure prise pour lire son résultat, qui est ensuite transmis au reste de la système.

Les exigences physiques de la manipulation d'un système à cette échelle sont considérables, touchant les domaines des supraconducteurs, de la nanotechnologie et de l'électronique quantique, ainsi que d'autres. Chacun d'eux est en soi un domaine sophistiqué qui est encore en plein développement, donc essayer de fusionner tous ensemble dans un ordinateur quantique fonctionnel est une tâche que je n’envie pas particulièrement n'importe qui... sauf pour la personne qui réussit finalement.