Informatique quantique

L'informatique Quantique est basée sur des systèmes microscopiques utilisant les possibilités de la mécanique quantique très supérieures à celles de la mécanique classique qui régit notre vie et les ordinateurs à l'échelle macroscopique.

Ordinateur quantique

Actuellement, l'ordinateur quantique est une application qui devient de plus en plus réelle passant d'espoir futur à une réalité qui fonctionne : ainsi, des calculs quantiques ou plutôt simulations quantiques se terminent en 200 secondes, alors que sur un ordinateur classique actuel puissant ils auraient pris 2,5 milliards d'années comme réalisé et prouvé en Chine, fin 2020.

• On appelle cette énorme différence suprématie, avantage ou supériorité quantique.

Un ordinateur quantique permettra de réaliser des calculs impossibles actuellement, comme décoder des clés secrètes ou calculer les propriétés réelles d'atomes et électrons quantiques, par exemple la supraconductivité, impossibles à réaliser actuellement avec un ordinateur classique actuel.

L'origine de cette suprématie quantique vient de la dualité onde / particule, car une onde est délocalisée en de nombreux endroits ou états à la fois, explorant tout l'espace et les configurations avec une seule particule ou un seul système quantique délocalisé.

dualité onde particule sous forme concrète

Une onde est très similaire à une vague sur l’eau pour avoir une image concrète valable sans complexités mathématiques. On peut voir une vague, par exemple, avec un bateau qui est secoué par la vague qui passe. À notre échelle macroscopique classique, on observe que tous les bateaux sont secoués par la vague qui passe.

Cependant, à l'échelle microscopique de la mécanique quantique, on mesure le passage d'une vague à la fois onde et particule en secouant au hasard un seul bateau détecteur qui détecte, mesure et même reçoit la particule-onde. Cette onde ne touche cependant pas les autres bateaux car la particule a disparu : seul le bateau qui reçoit la particule-onde est secoué, et pas du tout les autres bateaux.

Cette différence entre onde macroscopique et microscopique quantique est très étrange, toujours mystérieux et fondamental en mécanique quantique, mais elle décrit la réalité expérimentale de la dualité onde particule utilisée dans l'ordinateur quantique.

À notre échelle macroscopique, si on était quantique on pourrait faire plusieurs actions à la fois au même moment, travaillant à Paris, aussi en vacances au bord de la mer et aussi skiant en montagne tout en même temps sous forme d'onde délocalisée ! C'est possible pour les particules ondes quantiques, même un peu grosses, d'être délocalisées faisant plein de choses superposées à la fois, parfois sur des milliards de milliards d'actions à la fois.

Une mesure n'obtient qu'un seul résultat au hasard parmi les possibilités !

fonction d'onde quantique de qubit

L'ordinateur quantique exploite cette possibilité de faire travailler un système délocalisé sur une armada d'ordinateurs effectuant toutes les tâches possibles à la fois ! On comprend sa suprématie gigantesque !

Depuis 1900 année du début de la mécanique quantique par Planck, on a pris plus d'un siècle pour imaginer cette suprématie quantique bien cachée dans la mécanique quantique de Planck et obtenir le début de sa réalisation réelle.

Cela correspond au fait que dans un ordinateur classique, un bit peut avoir deux états soit 1 ou soit 0 (par exemple 2 orientations vers le haut ou le bas comme des spins d'électrons ou de noyaux nucléaires ou 2 niveaux de molécules ou atomes), si classique, le bit mémoire d'ordinateur classique, n'est que dans un seul état défini d'un bit : soit 0 soit 1, mais pas un mélange des deux.

Mais si quantique il est délocalisé mélangé en superposition sur les 2 états, c'est à dire une onde qubit (quantum bit ) délocalisée sur les 2 états + et - , formée de la superposition appelée qubit de +) et -) du type a(+)+b(-), avec des amplitudes a et b libres évoluant, par exemple a=60% et b=40%.

C'est difficile à comprendre et à imaginer, car totalement en contradiction avec notre expérience de tous les jours où on est soit au travail soit en vacances à 900 km, mais pas dans les deux à la fois, en onde de superposition quantique. Le cas extrême est d'être délocalisé entre vivant et mort comme le chat de Erwin Schrödinger, qui après avoir inventé son équation d'onde de matière, similaire à celle des vagues sur l'eau, a failli la renier tellement elle est incroyable et surprenante.

Un quantum bit est une superposition de ce type délocalisée sur le bit +) et bit -) typiquement quantique et aussi étrange pour notre vie usuelle que d'être à la fois vivant et mort comme le chat de Schrödinger.

Ainsi, un ordinateur quantique de 2 qubits 1 et 2 est décrit par une onde déjà complexe sur les 4 états, chacun de deux possibles 1+, 1- du premier qbit 1 multipliés par les deux possibles 2+ et 2- du second qbit 2 sous la forme de l'onde :

a(1+)(2+)+b(1+)(2-)+c(1-)(2+)+d(1-)(2-)

avec 4 amplitudes complexes a b c d de cette onde de deux qubits qui évoluent suivant l'équation d'évolution du système avec la perturbation de notre monde extérieur.

Intrication

Les deux qubits sont intriqués dans une intrication très difficile à comprendre.

A notre échelle, ce serait deux personnes travaillant et jouant délocalisés, avec des gestes en cohérence mutuelle, comme un qui lève le bras et l'autre qui lève la jambe, en une onde cohérente bien plus complexe que celle de danseurs sur une scène de théâtre, car ce serait une onde sur une multitude de théâtres avec des danseurs cohérents dans leurs gestes entre eux sur différents théâtres.

Donc sur deux qbits on peut coder avec 4 valeurs  en 2 qubits, au lieu d'une seule  réalité en 2 bits pour un ordinateur normal.

A chaque qubit ajouté, le nombre d'amplitudes complexes et d'états de l'onde quantique est multiplié par deux.

Complexité de 512 qubits

Ainsi 512 qubits ont une onde avec 2 puissance 512 = 1,34*10^154 coefficients d'amplitudes différents et évoluant dans une intrication hyper-complexe, impossible à comprendre dans notre monde macroscopique.

Pourtant tout notre univers est décrit par une onde quantique de ce type avec bien plus de qubits.

Cela multiplie sa puissance, et lui permet de résoudre des calculs extrêmement compliqués, qui ne seront jamais finis sur un ordinateur classique normal macroscopique, même sur des dizaines de milliards d'années.

Calcul impossibles rendus possibles

Un ordinateur quantique avec beaucoup de qubit ( au lieu de simples bits classiques ), par exemple 512, comporte une onde évoluant sur tous ces qubits en même temps, c'est à dire sur un nombre d'états en parallèle égal à 512 chiffres 2 multipliés entre eux, soit 2 puissance le nombre de qubits, par exemple 512, c'est à dire le même nombre d'états que le nombre de nos ancêtres il y a 512 générations ( 128 siècles ), à voir en plus détaillé sur généalogie, nombre astronomique, gigantesque, car à chaque génération en plus dans le passé, on multiplie par 2 le nombre de nos ancêtres, exactement comme le nombre d'états multiplié par deux lorsqu'on ajoute un qubit.

Par exemple pour 512 qubits ( une très très petite mémoire si ce sont des bits classiques de nos téléphones portables, eux avec des Giga octets ) le système quantique évolue comme,une onde sur ces 2^512 états soit un nombre gigantesque, soit 1024^(51,2) environ 10^150 un nombre de 153 chiffres ( lire généalogie pour plus de détails concrets ) .

Un ordinateur classique pour calculer cette évolution doit calculer sur chaque état l'un après l'autre, donc il calcule pendant bien plus que des milliards d'années, alors que quantique il calcule sur tous à la fois en environ la microseconde.

On comprend bien la cause de cette suprématie quantique, évolution sous forme d'onde sur un nombre d'états gigantesque. Après calcul ou évolution quantique de cette onde, on mesure pour obtenir un des états final tiré au sort comme pour la détection d'une onde de particule (similaire au seul bateau secoué au hasard ) L'amplitude de l'onde au carré donne la probabilité d'obtention de cette état final.

Ainsi en 200 secondes, on effectue un calcul qui demande des milliards d'années sur ordinateur classique. Un ordinateur classique comme nos téléphones portables doit explorer un par un chacun de ces milliards de milliards de milliards de milliards d'états classiques sans jamais y parvenir, même en calculant sur 13 milliards d'années depuis que notre univers existe !!

décohérence très difficile à contrôler

Néanmoins la très grande difficulté pour réaliser un ordinateur quantique provient que tout ce qui est autour qui contrôle l'ordinateur quantique, interagit dans son évolution quantique par interférences appelées décohérence qui font perdre très vite la cohérence de l'onde, ce qui détruit tout les calculs en les rendant flous et faux.

Plus on utilise de qubits plus cette décohérence est rapide.

Il est donc indispensable d'isoler l'ordinateur quantique au maximum de toute perturbation même très faible à très faible température. De plus des méthodes complexes ont été imaginées pour compenser ou corriger les erreurs provoquées par cet environnement avec des qubits utilisés pour corriger les erreurs.

De plus il faut pouvoir contrôler l'état de départ de chaque qubit c'est à dire l'état de chaque spin d'une molécule ou l'état des courants supraconducteurs utilisés comme qubits.

De fait n'importe quel système quantique isolé, molécule, supraconducteur, spins, etc.. peut servir comme ordinateur quantique, mais

il faut pouvoir contrôler les qubits de départ le plus possible, souvent déjà très difficile et

avoir le moins possible d'interaction perturbative avec le reste du monde qui fait perdre très vite la cohérence de l'onde entre les phases des qbits, ce qui détruit tout les calculs en les rendant flous, faux et sans intérêt.

Aussi la réalisation est très difficile et actuellement limitée à pas trop de qubits.

Notre XXI^e siècle verra se perfectionner les ordinateurs quantiques avec des applications inimaginables. Le monde microscopique est infiniment plus complexe que notre monde macroscopique avec plus de systèmes ou micro-univers travaillant en parallèle qu'il y a d'atomes dans l'univers, conséquence directe de la dualité onde / particule. Les codes secrets bancaires actuel impossibles à décoder (trop long pour un ordinateur classique ) seront décodés en quelques secondes.

Mais la mécanique quantique permet des communications encore plus secrètes différentes qui commencent à être utilisées entre la terre et des satellites, basées sur le fait qu'un seul bateau est secoué dans l'image simpliste mais assez exacte de bateaux sur une vague.

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