L'ordinateur quantique photonique, qu'est-ce que c'est ?
La course à la meilleure technologie de calcul quantique est lancée ! Aujourd’hui je vais m’intéresser aux ordinateurs quantiques dits « photoniques », utilisant des puces photoniques.
Pourquoi passer d’une puce électronique à une puce photonique ?
Depuis 10 ans, les fabricants de composants électroniques ont investi des milliards pour remplacer les électrons par la lumière. L’objectif visé : décupler les performances des ordinateurs. C’est ce qu’on appelle la 2ème révolution quantique.
La première révolution quantique est née sous l’impulsion d’Einstein au début du XXe siècle, et a bouleversé notre vision du monde, avec l’apparition du laser, du GPS, du transistor et donc des ordinateurs.
L’exploitation d’autres propriétés, telles que superposition ou l’intrication quantique ouvre aujourd’hui la voie à de nouvelles réalisations dans le domaine de la simulation, s’invitant au cœur même des ordinateurs et des communications.
Dans ce billet, vous trouverez un petit aperçu des plus grandes figures françaises liées à l’informatique quantique, et un extrait vidéo pour en apprendre plus sur ces notions.
Quelques notions de physique quantique
Superposition
La définition de l’état de superposition de Pascale Senellart, Directrice de recherche au Laboratoire de photonique et nanostructures du CNRS, est l’une de mes préférées :
« Dans le monde quantique, une particule est aussi une onde et peut être à deux endroits à la fois. Si on imagine un problème très simple, faire sortir un personnage d’un labyrinthe, l’ordinateur classique guidera le personnage, l’emmènera sur tous les chemins, prendra des notes et consignera tous les mauvais parcours avant de trouver la sortie. L’ordinateur quantique aura à sa disposition un personnage qui à chaque intersection, ne devra pas choisir entre droite et gauche, mais pourra explorer les deux chemins à la fois et trouvera très vite la sortie du labyrinthe. »
Voir la vidéo complète : https://youtu.be/36HZgDUg9Rs
Intrication quantique
En mécanique quantique, l’intrication quantique ou enchevêtrement 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. L’existence du principe d’intrication a longtemps été source de débat dans la communauté scientifique. En cause le principe d’incertitude.
Principe d’Incertitude : les rouages de la physique quantique
Vous avez sûrement déjà vu ce genre de clichés (ci-contre) sur Internet, montrant, depuis une chambre à bulles, des trajectoires de particules chargées.
Pour Étienne Klein, physicien au CEA, les particules décrivent des tracés curvilignes, car : « La physique quantique décrit les particules non pas comme des corpuscules, mais comme des ondes, comme des vagues sur la mer, n’ayant aucune position particulière. »
Voir la vidéo complète : https://youtu.be/6Oc-X4px5a4
Mesure de l’état intriqué du qubit
« Quand on mesure une particule A, on mesure également la particule B. Peu importe la distance entre les deux particules, explique Maxime Perrier, Chercheur post-doctorant. Einstein détestait ça, car ça impliquait qu’il y avait une action fantôme à distance. »
Les physiciens ne s’entendent pas sur l’interprétation de ce phénomène, mais sont d’accord sur les calculs.
Jusqu’au début des années 80.
Le français Alain Aspect réalise la première intrication quantique sur des paires de photons, donnant raison aux opposants d’Einstein.
Voir l’explication en vidéo : https://youtu.be/OmVj7tNc3kY
Des photons intriqués à l’information quantique
L’émission de photons, comment ça se passe ?
Philippe Grangier : « Pour isoler un seul photon, il faut utiliser un laser. On envoie des impulsions. Chaque impulsion excite l’atome qui émet un photon. On obtient ainsi un train de photons. »
En savoir plus : https://youtu.be/6evyOM32aNg
Pourquoi un train de photons ?
L’ordinateur quantique s’appuie sur deux phénomènes : se trouver simultanément dans deux états différents. Contrairement à un ordinateur classique, au lieu d’avoir des bits 1 « ou » 0, on obtient des qubits 1 « et » 0. Si on repense au labyrinthe de Pascale Senellart, alors vous comprenez la portée d’avoir 2 états simultanés, et d’en avoir des wagons. :)
Comment attribuer un état à un photon ?
Un photon peut être polarisé « à droite » et « à gauche », et donc mesuré. (Cf Sphère de Bloch)
Problème : Détecter et mesurer un photon en physique quantique revient le plus souvent à l’absorber, donc à le détruire.
Prix Nobel de physique en 2012, Serge Haroche a été le premier à réaliser une mesure non destructive d’un photon individuel, à l’aide d’un atome de rubidium piégé dans une cavité QED (Quantum ElectroDynamics).
Ce procédé a ouvert la voie à de nombreuses applications dans le domaine des télécommunications et des ordinateurs quantiques dits photoniques, servant à réaliser des portes logiques.
Portes logiques quantiques
Dans son ebook « Comprendre l’Informatique Quantique », Olivier Ezratty y explique : « Les qubits doivent pouvoir être contrôlés physiquement avec un jeu de portes quantiques jouant le rôle de portes quantiques universelles à partir desquelles on va pouvoir reproduire toutes les autres portes quantiques classiques, notamment toutes les rotations dans la sphère de Bloch. »
A lire si le sujet vous passionne : https://www.oezratty.net/wordpress/2021/understanding-quantum-technologies-2021/
Dynamique du Spin / Sphère de Bloch
Pour reprendre l’exemple de l’atome piégé, Serge Harroche expliquait en 2011 au Collège de France :
« On isole deux états d’énergie qu’on appelle les états logiques 0 et 1. La représentation que j’ai employée très souvent est la représentation de la Sphère de Bloch. On assimile le système à deux niveaux, à un spin, un vecteur qui pointe dans une direction de l’espace.
L’extrémité de ce vecteur se trouve sur une sphère. Les pôles Nord et Sud de la sphère correspondent aux états logiques : 0 et 1 du qubit.
L’état le plus général est une superposition de 0 et de 1. »
Pour les matheux, l’explication en détails : https://www.college-de-france.fr/site/en-serge-haroche/course-2011-01-10-09h30.htm
Sécurité quantique : Alice et Bob
L’avènement des ordinateurs quantiques risque de compromettre la sécurité des données confidentielles. Les mots de passe actuels sont dotés d’une clé classique, composée d’algorithmes mathématiques extrêmement complexes (suite de 0 et de 1). L’ordinateur quantique n’en fera qu’une bouchée, et impactera les futures communications et leur confidentialité. Alors quelle solution ?
La cryptographie quantique, réputée « théoriquement incassable »
La pépite française Alice & Bob travaille sur ces sujets en proposant des qubits à base de photons individuels servant à véhiculer les clés quantiques. L’avantage : les qubits ne peuvent pas être captés ou copiés sans que l’on s’en aperçoive !
Découvrez tous les détails en vidéo : « Alice & Bob : Le jeu : cryptage symétrique » : https://youtu.be/F9vCcHqzvSs
L’IA, le 4ème pouvoir ?
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