Dans la vie, il y a 10 sortes de personnes,
ceux qui savent compter en binaire et ceux qui ne savent pas.
Un bit peut être dans un état 0 ou 1. Un qbit peut également être dans un état 0 ou 1, mais il peut aussi être dans un état superposé 0 et 1.
bit vs qbit
L’état d’un qbit peut être décrit par un vecteur à deux dimensions de norme unitaire.
➤ Pour que le vecteur soit normé, la somme des carrés des amplitudes de ses entrées doit être égale à 1
Ce vecteur |ϕ> appelé aussi vecteur d’état quantique, contient tout ce qu'il faut pour représenter l'état d'un qbit.
🔎 Quelques exemples :
✔︎ Dans la base orthonormée {|0>,|1>},
si |ϕ> : (1,0) alors |ϕ> = 1 |0> + 0 |1> = |0>
Tout comme |ϕ>, la valeur de |ϕ> est bien définie, elle vaut ´0´.
☞ Dans cet exemple, le qbit se comporte comme un bit, si on effectue une mesure, elle vaudra ´0´. La mesure nous révèle l'état que le système avait avant la mesure.
✔︎ Toujours dans la base {|0>,|1>},
si |ϕ> : (1/√2,1/√2) alors |ϕ> = 1/√2 |0> + 1/√2 |1>
|ϕ> est bien défini, mais ici sa valeur ne l'est pas.
☞ Dans cet exemple, si on effectue une mesure, elle vaudra soit ´0´ soit '1', ce de manière complètement aléatoire et en l'occurrence équiprobable. Impossible pour nous de connaitre l'état que le système avait avant la mesure. On sait simplement que l'on a affaire à un système qui était dans un état superposé.
Cependant et à juste titre, on peut se demander comment un qbit peut se matérialiser.
D’un point de vue physique, les qbits des calculateurs quantiques sont des dispositifs matériels qui intègrent des particules qui peuvent prendre 2 états. On peut les initialiser et les modifier en utilisant des portes quantiques, pour au final évaluer leur état. Il peut ainsi s'agir de particules élémentaires comme les ions piégés ou les atomes froids, ou encore d'une multitude de particules chargées, utilisées notamment dans les supra-conducteurs ou les quantum dots à silicium.
Mais ne nous leurrons pas, à l'heure actuelle aucune solution n'est vraiment industrialisable.
La recherche expérimentale continue et nous n'en sommes encore qu'au stade des prototypes. Voyons voir lesquels ➤
Les supraconducteurs
Le qbit prend la forme de l’état d’un courant supraconducteur qui traverse une barrière très fine. Il s’agit de créer la superposition de deux états d'un courant, courant qui oscille à haute fréquence au niveau d'une boucle.
L’oscillation est rendue possible car la boucle supraconductrice joue à la fois le rôle d'inducteur et de résistance.
Aujourd’hui, cette technique est la plus utilisée, car elle est relativement facile à fabriquer et elle est plutôt bien adaptée à l’informatique quantique en raison de sa faible décohérence, les états des qbits pouvant être conservés pendant une période relativement longue.
Les ions piégés
Il s’agit d’ions comme le calcium, qui sont maintenus sous vide et sont tenus en suspension électrostatique.
Un pompage optique permet de les initialiser et un laser sert à mesurer la fluorescence liée à l'excitation des ions. Un champ magnétique est utilisé pour activer les portes quantiques. Dans un tel système, les ions sont alignés en rang d’oignons à égale distance les uns des autres.
S'il est délicat de dépasser la centaine d’ions, il est par contre très facile de les intriquer.
Les atomes froids
Le principe est sensiblement le même que celui des ions piégés, mais il s’agit cette fois d'utiliser des atomes neutres. Ils sont éclairés par des lasers afin que la pression de radiation réduise leur vitesse de déplacement. Immobilisation veut dire froid, très froid, d'où leur nom. 🥶 Ils ont une température très proche du zéro absolu. (0°K = -273,15°C)
L'absence de charge électrique s’avère avantageuse pour piéger de nombreux atomes au sein d'une petite cavité dans laquelle on a confiné un rayon laser. Ce laser sert à mesurer la fluorescence liée à l'état d'excitation des atomes, l'état fondamental de l'atome et son état excité étant les deux états de base du système quantique.
Actuellement, les parts de ce marché sont principalement tenues par deux start-up : Pasqal 🇫🇷 et ColdQuanta 🇺🇸. Ce nouveau créneau semble vraiment prometteur, à suivre ...
Les photons
Le principe se base sur la polarisation horizontale/verticale des photons →↑. On entre dans le domaine de l’optique linéaire et les portes quantiques sont des mécanismes utilisant des filtres polarisants. Pour le piloter, ce système nécessite une grande quantité de lasers, mais il a l'énorme avantage de fonctionner à température ambiante.
Pour l’instant, peu d'entreprises privées semblent enclin à investir dans cette solution.
Le spin des électrons
↑↓ Haut ou bas … voilà une sorte de sens de polarisation magnétique que l’on retrouve dans les ordinateurs à base de quantum dots.
L'orientation du spin des électrons est gérée par des semi-conducteurs CMOS. Pour l’instant, ils sont plutôt 'bruyants' même si les températures sont proches du zéro absolu. On cherche à rendre le dispositif plus résistant, en regroupant les qbits pour créer des qbits logiques.
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