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Gros plan sur un ordinateur quantique IBM

Publication : 28 février 2024
Contributeurs : Josh Schneider, Ian Smalley

Qu’est-ce qu’un qubit ?

Un qubit, ou bit quantique, est l’unité d’information de base utilisée pour encoder les données en informatique quantique. Nous pouvons le considérer comme l’équivalent quantique du bit traditionnel utilisé par les ordinateurs classiques pour encoder les informations en binaire.

Le terme « qubit » est attribué au physicien théoricien américain Benjamin Schumacher. Les qubits sont généralement, mais pas exclusivement, créés en manipulant et en mesurant des particules quantiques (les plus petits éléments constitutifs connus de l’univers physique), comme les photons, les électrons, les ions piégés, les circuits supraconducteurs et les atomes. 

De par les propriétés uniques de la mécanique quantique, les ordinateurs quantiques peuvent utiliser des qubits pour stocker plus de données que les bits traditionnels, améliorer considérablement les systèmes cryptographiques et effectuer des calculs très avancés qui prendraient des milliers d’années (ou seraient impossibles) à réaliser même pour des superordinateurs classiques.

Grâce aux qubits, les ordinateurs quantiques pourraient bientôt jouer un rôle central face aux plus grands défis de l’humanité : cancer et autres recherches médicales, changement climatique, machine learning et intelligence artificielle (IA)

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Comprendre l’informatique quantique

Représentant la prochaine évolution en termes de puissance de calcul, l’informatique quantique utilise des technologies spécialisées, notamment du matériel informatique et des algorithmes qui tirent parti des principes de la mécanique quantique, pour résoudre des problèmes complexes que les ordinateurs classiques ou les superordinateurs ne sont pas capables de résoudre (ou en tout cas pas assez rapidement).

Démarré dans les années 1980, le développement des ordinateurs quantiques a fait du chemin : la théorie pure a donné lieu à des applications matérielles pratiques. Aujourd’hui, IBM Quantum met à la disposition de centaines de milliers de développeurs un véritable matériel quantique, un outil que les scientifiques ont commencé à imaginer il y a seulement trente ans.

Lorsque les physiciens et les ingénieurs sont confrontés à des problèmes complexes, ils se tournent vers les superordinateurs. Cependant, même les superordinateurs sont des machines à code binaire qui dépendent d’une technologie de transistor du XXe siècle et qui ont du mal à résoudre les problèmes très complexes. Ces ordinateurs classiques sont également soumis à des restrictions matérielles, telles que la surchauffe, qui limitent drastiquement leur capacité à traiter les informations. Il existe des problèmes complexes, comme la modélisation des atomes individuels dans une molécule, que nous ne savons pas résoudre avec les ordinateurs classiques, à quelque échelle que ce soit.

Les lois de la mécanique quantique dictent l’ordre du monde naturel. Les ordinateurs qui effectuent des calculs en utilisant les états quantiques des bits quantiques devraient, dans de nombreuses situations, être nos meilleurs atouts pour le comprendre et résoudre nos problèmes les plus complexes. 

Dans l’étude des ordinateurs quantiques, il est essentiel de comprendre que la mécanique quantique n’est pas de la physique traditionnelle. La description du comportement des particules quantiques présente un défi unique, car la plupart des paradigmes fondés sur le bon sens appliqués au monde naturel n’ont simplement pas le vocabulaire pour comprendre les comportements à première vue contre-intuitifs des particules quantiques. 

Qubits et bits

Il existe de nombreux types de bits et de qubits, mais tous les qubits doivent respecter les lois de la physique quantique et pouvoir exister dans une superposition quantique.

Un bit classique ne peut exister qu’à une position 0 ou 1. Les qubits, quant à eux, peuvent en plus occuper un troisième état : c’est la superposition. Une superposition représente 0, 1 et toutes les positions entre les deux occupées simultanément, pour un total de trois positions distinctes.

Bien que les qubits puissent encoder trois positions distinctes, ils sont tout de même utilisés pour transmettre des informations par le biais d’un système binaire. Dans ces systèmes, le terme « bit » peut désigner le matériau ou le processus utilisé pour représenter un 0 ou un 1, ou la mesure de ce bit (c’est-à-dire un 0 ou un 1). 

Comprendre les bits

En informatique traditionnelle ou classique, un seul bit peut être considéré comme une information binaire, notée 0 ou 1. Les ordinateurs modernes représentent généralement les bits comme une tension électrique ou une impulsion de courant (ou par l’état électrique d’une bascule).

Dans ces systèmes, quand aucun courant ne circule, le circuit peut être considéré comme désactivé, et cet état est représenté par un 0. Lorsque le courant circule, le circuit est considéré comme activé, et cet état est représenté par un 1.

Le terme « bit » est lui-même un mot-valise dérivé de « binary digit » (chiffre binaire), et les bits binaires constituent la base de toute l’informatique. Qu’il s’agisse d’enregistrer une vidéo numérique, d’animer un modèle 3D ou d’utiliser une application de calculatrice, toutes les données, des systèmes d’exploitation aux logiciels, sont construites à partir d’un code binaire, c’est-à-dire un ensemble de bits. Un octet d’ordinateur se compose de huit bits, le nombre minimum de bits nécessaires pour transmettre un caractère textuel en binaire. 

Les bits peuvent être représentés électriquement, en faisant passer (ou non) du courant à travers une puce de silicium, par exemple. Les bits peuvent également être représentés physiquement, par la présence ou l’absence de trous dans un morceau de papier par exemple, comme avec l’ancienne méthode de calcul par traitement de cartes perforées. Tout système à deux niveaux dans lequel l’état du système ne peut être décrit que dans l’une des deux positions potentielles (par exemple, haut ou bas, gauche ou droite, activé ou désactivé) peut être utilisé pour représenter un bit. 

Comprendre les qubits

Bien que les technologies quantiques utilisent du code binaire, les données quantiques dérivées d’un système quantique, tel qu’un qubit, encodent les données différemment des bits traditionnels, avec quelques avantages remarquables. Les chercheurs ont établi plusieurs méthodes pour créer des qubits ou utiliser des systèmes quantiques naturels comme qubits. Cependant, dans presque tous les cas, les ordinateurs quantiques requièrent une réfrigération extrême pour isoler les qubits et éviter les interférences. 

Théoriquement, n’importe quel système quantique à deux niveaux peut être utilisé pour créer un qubit. Un système quantique est dit à deux niveaux lorsque certaines propriétés du système peuvent être mesurées en positions binaires, comme en haut ou en bas. Les systèmes quantiques multiniveaux peuvent également être utilisés pour créer des qubits, à condition que deux aspects de ce système puissent être efficacement isolés pour produire une mesure binaire. Tout comme les ordinateurs traditionnels peuvent utiliser plusieurs types de bits (courant électrique, charge électrique ou présence/absence de trous dans une feuille cartonnée pour l’informatique par cartes perforées), les ordinateurs quantiques peuvent également utiliser plusieurs types de bits. Certains bits sont mieux adaptés à certaines fonctions, et un ordinateur quantique avancé utilisera probablement une combinaison de types de bits pour réaliser différentes opérations.

Comme chaque bit peut représenter un 0 ou un 1, en associant deux bits d’informations, nous pouvons créer jusqu’à quatre combinaisons binaires uniques :

  1. 00
  2. 01
  3. 10
  4. 11

Alors que chaque bit peut avoir un état de 0 ou 1, un seul qubit peut être un 0, un 1 ou une superposition. Une superposition quantique peut être décrite comme étant à la fois 0 et 1, ou comme tous les états possibles entre 0 et 1, car elle représente en fait la probabilité de l’état du qubit. 

Au niveau quantique, la probabilité des qubits est mesurée comme une fonction d’onde. L’amplitude de probabilité d’un qubit peut être utilisée pour encoder plus d’un bit de données et effectuer des calculs extrêmement complexes lorsqu’elle est combinée à d’autres qubits.

Lors du traitement d’un problème complexe, tel que la factorisation d’un grand nombre premier, les bits traditionnels sont bloqués par les grandes quantités d’informations qu’ils contiennent. Les bits quantiques se comportent différemment. Comme les qubits peuvent contenir une superposition, un ordinateur quantique utilisant des qubits peut calculer un volume de données beaucoup plus important. 

Pour comprendre la différence entre les bits et les qubits, imaginez que vous vous trouvez au centre d’un labyrinthe compliqué. Pour sortir du labyrinthe, un ordinateur traditionnel devrait résoudre le problème par « force brute », en essayant toutes les combinaisons de chemins possibles pour trouver la sortie. Ce type d’ordinateur utiliserait des bits pour explorer de nouveaux chemins et se souvenir des voies sans issue.

Par comparaison, un ordinateur quantique pourrait, au sens figuré, obtenir d’un seul coup une vue d’ensemble du labyrinthe, tester plusieurs chemins simultanément et révéler la bonne solution. Cependant, les qubits ne « testent pas plusieurs chemins » à la fois. En fait, les ordinateurs quantiques mesurent les amplitudes de probabilité des qubits pour déterminer un résultat. Étant donné que ces amplitudes fonctionnent comme des ondes, elles se chevauchent et interfèrent les unes avec les autres. Lorsque des ondes asynchrones se chevauchent, cela élimine les solutions possibles à des problèmes complexes, et l’onde ou les ondes cohérentes réalisées présentent la solution. 

Qu’est-ce que l’intrication quantique ?

Décrite pour la première fois par Einstein comme une « action fantôme à distance », l’intrication quantique est un phénomène dans lequel deux qubits (ou deux particules quantiques ou plus) s’entrelacent de telle sorte que l’état d’une particule ne peut être décrit indépendamment de l’état de l’autre, quelle que soit la distance qui les sépare. 

Lorsque deux qubits sont intriqués, ils existent tous les deux dans une superposition jusqu’à ce que l’un d’entre eux soit mesuré. Une fois observé, la superposition quantique des deux qubits s’effondre et le qubit non observé prend la position opposée à celle du qubit observé.

Par exemple, si la moitié d’une paire de qubits intriqués est mesurée en position 1, l’autre qubit peut instantanément être mesuré en position 0. Les implications de l’intrication quantique sont aussi vastes que notre compréhension de ce phénomène est limitée. Les bits traditionnels, eux, ne s’emmêlent pas. De ce fait, les qubits intriqués pourraient transférer des informations même à des années-lumière instantanément, à une vitesse supérieure à celle de la lumière. Bien que les qubits ne transfèrent pas réellement les données plus vite que la lumière, l’intrication quantique peut augmenter considérablement la puissance des circuits quantiques. 

Les différents types de qubits et leurs avantages

Comme n’importe quel système quantique à deux niveaux peut être utilisé pour créer un qubit, il existe différents types de qubits actuellement développés par les chercheurs, et certains qubits sont mieux adaptés à certaines applications.

Supraconducteurs

Fabriqués à partir de matériaux supraconducteurs fonctionnant à des températures extrêmement basses, les qubits supraconducteurs sont manipulés par des impulsions micro-ondes et font partie des qubits préférés des informaticiens quantiques pour leur cohérence relativement robuste. 

Ions piégés

Grâce à une technologie laser sophistiquée, les particules ioniques piégées peuvent également être utilisées comme qubits. Les qubits à ions piégés se distinguent par leurs temps de cohérence prolongés ainsi que par leurs mesures haute-fidélité. 

Boîtes quantiques

Une boîte quantique est un petit semi-conducteur capable de capturer un seul électron et de l’utiliser comme qubit. Les qubits de ce type peuvent être manipulés à l’aide de champs magnétiques et sont particulièrement intéressants pour les chercheurs en raison de leur évolutivité potentielle et de leur compatibilité avec la technologie de semi-conducteurs existante. 

Photons

En définissant et en mesurant les états de direction du spin de particules de lumière individuelles, les qubits à photons peuvent être utilisés pour envoyer des informations quantiques sur de longues distances via des câbles à fibres optiques et sont actuellement utilisés dans la communication quantique et la cryptographie quantique. 

Atomes neutres

Les atomes neutres courants sont définis par une charge ionique équilibrée de charges positives et négatives. À l’aide de lasers, ces atomes peuvent être chargés d’énergie pour être définis dans un certain nombre d’états excités, dont deux peuvent être utilisés pour créer un qubit bien adapté à la mise à l’échelle et à l’exécution de certaines opérations.

Qubits : les défis

Les qubits sont aussi puissants que capricieux. Pour fonctionner, les qubits doivent être refroidis à une température dépassant d’une fraction de degré le zéro absolu : plus froide que celle du cosmos. 

On parle de cohérence des particules quantiques quand elles sont suffisamment contrôlées pour fonctionner comme des qubits. Lorsqu’un qubit perd cette capacité, on parle de décohérence. La réfrigération haute puissance nécessaire pour créer un état de cohérence pour des qubits fonctionnels est un défi majeur pour l’informatique quantique. 

Même dans les conditions les plus froides, les systèmes de qubits sont également généralement sujets aux défaillances dues à la décohérence. Heureusement, les progrès réalisés dans le domaine émergent de la correction d’erreur quantique algorithmique ont le potentiel de stabiliser des systèmes quantiques auparavant précaires. 

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