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 :
- 00
- 01
- 10
- 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.