20/07/2011 - Ordinateur quantique. Ils créent un nombre massif de qubits entrelacés

Menéame

Une équipe de recherche de l’Université de Virginie, aux États-Unis, a fait un pas de plus sur la voie de l’ordinateur quantique avec la création d’un nombre massif de qubits entrelacés. Cette avancée pourrait améliorer les capacités des super-ordinateurs actuels, en permettant, par exemple, de créer des méthodes de cryptage plus sûres ou de comprendre les principes qui régissent des systèmes aussi complexes que les molécules biologiques. À Elena Figueras.

Un ordinateur fonctionnant selon les principes les plus complexes de la mécanique quantique serait en mesure de réaliser des calculs spécifiques avec des capacités allant bien au-delà de celles que possèdent actuellement les superélectroniques les plus modernes et les plus avancées. Par exemple, il pourrait être utilisé pour déchiffrer des codes de sécurité ou pour réaliser des simulations de systèmes quantiques très lourds, avec un haut niveau de détail. Mais pas seulement ça.

Il pourrait également être utilisé pour appliquer des principes précis de physique dans la compréhension des petits détails des interactions des molécules dans les systèmes biologiques. Même, cela aiderait les scientifiques à dénigrer certains des plus grands mystères du fonctionnement de l’univers, en fournissant un moyen de tester la mécanique quantique.

Une telle équipe existe dans la théorie, mais pas dans la pratique. Pour construire un ordinateur quantique, il faut créer et contrôler avec précision les différentes unités d’information quantique, appelées qubits.

Un bit quantique ou qubit est une unité d’information quantique, l’analogue quantique du bit classique sur les ordinateurs numériques, mais beaucoup plus fragile, car il est un composant microscopique de la matière, il est donc très difficile de le séparer de son environnement. Le défi consiste à augmenter le nombre de qubits dans un registre quantique de taille pratique. En particulier, les qubits doivent être créés dans des ensembles précis ou des corrélations physiques non locales, appelés états entrelacés.

Olivier Pfister, professeur de physique à l’Université des Arts et des Sciences de Virginie aux États-Unis, a maintenant réussi à créer un nombre massif de qubits entrelacés, plus précisément une variante de plusieurs niveaux du même appelé "Qmodes," rapporte la revue Physical Review Letters dans un article dont l’écho a également été fait par Science Daily.

Face ou croix ?

Pour expliquer le fonctionnement d’un ordinateur quantique, l’article fait appel à une expérience quotidienne: imaginons deux personnes qui lancent une pièce en l’air, chacune par son propre moyen, et enregistrent les résultats obtenus. En comparant les données après plusieurs lancements, ils découvrent qu’ils obtiennent toujours les mêmes résultats. Dans les laboratoires de physique, ces corrélations sont régulièrement observées dans les systèmes quantiques et forment le noyau de fonctionnement d’un processeur quantique.

Pfister et les chercheurs de son laboratoire ont utilisé des lasers sophistiqués pour manipuler quinze groupes de quatre Qmodes entrelacés chacun, pour un total de 60 Qmodes mesurables, la plus grande quantité jamais créée. L’équipe pense qu’elle a pu créer plus de 150 groupes, ou 600 Qmodes, mais elle n’a pu mesurer 60 avec les techniques qu’elle avait utilisées.

Chaque Qmode est une couleur bien définie du champ électromagnétique. Au lieu de mesurer les pièces de monnaie mises en circulation dans l’air, les résultats de la mesure de Qmode sont le nombre de particules quantiques de la lumière (photons) présentes dans le champ. Pour créer un ordinateur quantique, il faudrait des centaines de milliers de Qmodes.

Peignes à lumière

Le groupe Pfister utilise un laser exotique appelé oscillateur paramétrique optique, qui émet des champs électromagnétiques quantiques entrelacés (Qmodes) dans un arc-en-ciel de couleurs équidistantes appelé "peigne à fréquences optiques" ou "peigne de lumière."

Ce type de laser a révolutionné la science de la mesure, appelée métrologie, et a ouvert la voie à plusieurs avancées technologiques. Les inventeurs du peigne à fréquences optiques, les physiciens John Hall (de l’Institut national des normes et de la technologie) et Theodor Hänsch (de Max-Planck Institute of Optical Quantica) ont obtenu la moitié du prix Nobel de physique 2005 pour leurs réalisations (l’autre moitié était pour Roy Glauber, l’un des parents de l’optique quantique).

Avec ses expériences, le groupe Pfister a accompli une étape importante pour confirmer l’une de ses essais théoriques antérieurs: que la version quantique du peigne de fréquences optiques pourrait être utilisée pour créer un ordinateur quantique.

"Certains problèmes mathématiques, tels que l’établissement de nombres entiers ou la résolution de l’équation de Schrödinger pour modeler des systèmes de physique quantique, peuvent être extrêmement difficiles à surmonter. Dans certains cas, la difficulté est exponentielle, ce qui signifie que le temps de calcul est doublé par chaque augmentation finie de l’ampleur du nombre entier ou du système," met en garde Pfister, tout en nuisant que cela n’est valable que pour l’informatique classique, car la quantique a été découverte pour maintenir la promesse révolutionnaire d’accélérer exponentiellesment ces tâches par des calculs simples.

Implications sociales et scientifiques

"Cela pourrait avoir d’énormes implications sociales, comme la mise à jour des méthodes de cryptage des données obsolètes, mais aussi scientifiques, comme par exemple l’ouverture à de nouvelles possibilités de calcul des principes de systèmes très complexes comme les molécules biologiques," vaticina Pfister.

Selon le professeur, le hasard joue un rôle plus important dans l’évolution quantique que dans l’évolu tion classique. L’aléarité n’est pas un obstacle aux prédictions déterministes et au contrôle des systèmes quantiques, mais elle limite la façon dont l’information peut être codée et lue par les qubits.

"A mesure que l’information quantique est mieux comprise, ces limites ont été éludées par l’interlocution quantique, corrélation quantique entre les systèmes agissant de manière aléatoire, individuellement. D’après ce que nous savons, cette entrelacement est en réalité le moteur de la vitesse exponentielle dans l’informatique quantique," conclut l’auteur principal de l’étude.

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