L’informatique quantique décryptée

Un seul cube jaune (état 0).

Un ordinateur quantique, quant à lui, utilise ce qu’on appelle des bits quantiques, ou qubits. Contrairement au bit dichotomique, les qubits fonctionnent au niveau des particules subatomiques ou élémentaires. Un seul qubit sera toujours mesuré comme étant égal à 0 ou à 1, un peu comme un bit ordinaire. Par exemple, ce qubit est dans état 0.

Un cube jaune (état 0) et un cube bleu (état 1) se déplaçant aléatoirement sur l’écran derrière un verre dépoli qui les rend flous.

Les choses deviennent intéressantes lorsque la superposition, phénomène propre aux particules quantiques, entre dans l’équation. Alors qu’un bit ne peut être que dans un seul état à un instant donné (0 ou 1), un qubit peut être dans un état donné. superpositionqui est essentiellement une combinaison de la probabilité que ce soit un 0 ou un 1. Lors de la mesure, la superposition s’effondre et nous obtenons un 0 ou un 1, tout comme un bit classique.

Le cube jaune (état 0) et le cube bleu (état 1) arrêtent de bouger et s’alignent l’un à côté de l’autre.

Au début d’un calcul avec des qubits, chaque qubit est normalement mis dans un superposition égaleoù la probabilité que le qubit soit observé est dans état 0 ou état 1 est égal.

Revenir à un seul cube jaune (état 0).

Afin d’obtenir une réponse, les qubits doivent être ramenés aux bits classiques avec des états définitifs grâce à la mesure. Sans rien faire pour influencer la réponse, vous obtiendrez juste 0 ou 1 essentiellement au hasard, pas particulièrement utile !

Quatre cubes jaunes (état 0) alignés verticalement en ligne droite.

Voici un aperçu très simpliste de la façon dont les scientifiques peuvent manipuler les qubits pour obtenir une réponse probablement correcte. Nous commencerons par
quatre qubitstout en état 0 initialement

À côté de chacun des cubes jaunes (état 0) apparaît un cube bleu (état 1).

et mettez chaque qubit dans un superposition égale de
0 et 1.

Une grille 4 par 4 avec un total de 16 cubes apparaît. Chacun des cubes correspond à l’une des combinaisons possibles, en commençant par 0000, en passant par des combinaisons telles que 1100 et 0101, jusqu’à 1111.

Comme chaque qubit peut être soit 0 ou 1 jusqu’à ce qu’il soit mesuré, nous avons
16 (4²) combinaisons possibles. Nous pouvons les imaginer comme la grille de possibilités suivante.

La grille de cubes est placée derrière un verre dépoli afin que tous les cubes apparaissent flous. Les cubes se déplacent de haut en bas de manière aléatoire.

Cette grille n’est cependant qu’un repère visuel simplifié de ce à quoi pourrait ressembler le système quantique, à quoi ressemblent les qubits en superposition.

Le verre dépoli est retiré et les cubes reviennent à leur position d’origine sur la grille. Ensuite, tous les cubes sauf celui correspondant à 1111 disparaissent.

Supposons qu’une de ces combinaisons puisse nous conduire au bonne réponse à une question informatique telle que trouver les facteurs premiers d’un grand nombre. Les algorithmes quantiques peuvent déterminer quelle réponse est correcte pour aider notre ordinateur quantique à choisir la bonne.

Le cube 1111 monte et un axe indiquant positif apparaît pour indiquer que le cube s’est déplacé dans le sens positif (vers le haut).

Nous pouvons considérer la probabilité que chaque combinaison soit la bonne réponse comme étant la position verticale du cube correspondant.

Le cube pour 0000 apparaît à nouveau sur la grille et descend. Un axe négatif apparaît pour indiquer que le cube s’est déplacé dans le sens négatif (vers le bas).

Et c’est ici qu’intervient une partie de la magie quantique : dans le monde classique, les probabilités sont toujours des nombres positifs et leur somme est toujours égale à 100 %. Dans le monde quantique, les probabilités fonctionnent très différemment de ce à quoi nous sommes habitués et sont connues sous le nom de amplitudes. Ce sont des valeurs qui ne doivent pas nécessairement totaliser 100 %.

Le cube de 1111 reste en haut et le cube de 0000 reste en bas. Rien d’autre ne change.

Les amplitudes peuvent s’ajouter à quelque chose de plus grand (interférence constructive) ou de plus petit (interférence destructrice)

Le cube pour 0000 disparaît. Il ne reste que le cube pour 1111. Ensuite, un autre cube apparaît et se déplace d’une distance égale vers le bas jusqu’au cube 1111 existant. Ensuite, les deux cubes rétrécissent, indiquant qu’ils s’annulent.

L’interférence est importante car elle peut faire disparaître certaines réponses. Par exemple, disons que l’une des réponses potentielles à notre calcul hypothétique est 1111, mais il s’avère qu’il existe plusieurs façons d’y arriver, chacune avec une amplitude qui lui est opposée. Cela éliminerait en effet 1111 afin que nous ne la voyions jamais apparaître comme la réponse finale.

Tous les cubes reviennent et la grille originale de 16 cubes est de retour. Ensuite, les cubes montent ou descendent tous de différentes quantités. Des cubes supplémentaires sont ajoutés et ceux-ci montent et descendent également.

La clé des calculs quantiques rapides et fiables est de mettre en place une superposition de qubits qui prend en compte toutes les réponses possibles tout en étant intelligemment disposées de manière à ce que toutes les mauvaises réponses interfèrent les unes avec les autres de manière destructrice, notamment en introduire des moyens supplémentaires d’obtenir les réponses (ajouter des cubes supplémentaires) et manipuler les amplitudes.

Tous les cubes du même type pointant dans des directions opposées avec le même déplacement vertical commencent à disparaître ensemble par paires, indiquant qu’ils s’annulent. Au final, il ne reste que 3 cubes.

Ici, après l’interférence, il ne reste que trois des possibilités initiales.

Deux des trois cubes restants disparaissent et il ne nous reste plus qu’un seul cube.

La dernière étape de ce processus, un quantum la mesure, n’est pas garanti de renvoyer la bonne réponse du premier coup. Mais comme le nombre de réponses potentielles a désormais été considérablement réduit, les scientifiques n’ont qu’à répéter cette étape quelques fois et vérifier (sur un ordinateur classique) si la réponse résout le problème.