La recherche fondamentale quantique transformera la science

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La promesse de l’informatique quantique semble illimitée: une recherche internet plus rapide, une analyse des données financières à la vitesse de l’éclair, des déplacements plus courts, de meilleure prévision météorologique, des médicaments anticancéreux plus efficaces, de nouveaux matériaux révolutionnaires, etc.

L’informatique quantique offrira des possibilités insoupçonnées

Mais nous n’y sommes pas encore. En se concentrant sur des points de repère étroits, tels que le nombre de bits quantiques, ou qubits, créés par les derniers ordinateurs, crée un instantané myope d’un vaste paysage technologique. L’objectif va au-delà des ordinateurs plus rapides pour englober des innovations largement répandues dans les domaines de la science de l’information quantique, des matériaux et des technologies, tels que les capteurs quantiques, un domaine extrêmement vaste.

Se concentrer étroitement sur l’informatique n’accélérera pas la suprématie quantique – la promesse alléchante d’un avenir où les ordinateurs quantiques surpassent les ordinateurs classiques dans des tâches de calcul d’importance pratique. Cela ne viendra que de la recherche et du développement à large spectre couvrant la mécanique quantique fondamentale, la science de l’information, la science des matériaux, l’informatique et le génie informatique, entre autres domaines.

La meilleure approche place la science en premier. La résolution de problèmes scientifiques fondamentaux en sciences quantiques à travers toutes ses complexités jettera les bases d’un éventail de technologies du futures et permettra un progrès scientifique et industriel transformateur. Et ne vous y méprenez pas, ces technologies seront des moteurs majeurs du progrès scientifique, de l’économie et même de la sécurité nationale.

Dire que l’informatique quantique en est à ses balbutiements est une exagération. Ce domaine trie les questions de base concernant les architectures et les technologies permettant de créer et de contrôler les qubits. Les qubits sont les unités de traitement fondamentales des ordinateurs quantiques, et quelle que soit la méthode utilisée pour les fabriquer, ils ne conservent toujours pas leur «état quantique» assez longtemps pour effectuer des tâches bien au-delà des calculs de preuve de concept.

Comprendre l’étrangeté inhérente à la physique quantique

Le défi réside dans l’étrangeté inhérente à la physique quantique elle-même, qui intrigue les esprits les plus brillants du monde depuis plus de 100 ans. Les questions de base sur le comportement des particules dans le domaine subatomique – un comportement qui permet l’informatique quantique – restent sans réponse. Les réponses éventuelles combleront d’énormes lacunes dans notre compréhension des rouages ​​les plus fondamentaux de l’Univers. C’est aussi ce qui rend la science quantique si passionnante.

Manquant de réponses, les scientifiques débattent encore sur ce qui fait un ordinateur quantique. Les conditions d’enchevêtrement, de superposition et d’interférence sont-elles toutes requises? L’enchevêtrement est présenté comme l’ingrédient clé, mais cela n’a pas été prouvé. Cela semble indispensable dans certains cas, mais pas dans d’autres.

Un enchevêtrement se produit lorsque plusieurs particules ne peuvent être décrites que par un état global et non par un état individuel. Ceci est analogue à la lecture d’un livre où les pages individuelles n’ont aucun sens, mais où l’information émerge une fois que vous les avez toutes lues. Les ordinateurs normaux peinent à représenter un enchevêtrement, ce qui limite considérablement leur capacité à simuler des systèmes quantiques, tels que des médicaments ou des matériaux supraconducteurs. C’est l’une des raisons pour lesquelles nous avons besoin d’ordinateurs quantiques.

La superposition des particules élémentaires

La superposition découle de la dualité onde-particule de particules élémentaires du domaine quantique, telles que les électrons, les photons, les ions et les atomes. Chacune est une fonction d’onde de probabilités concernant son état observable, telle que la position, le spin, la polarisation (pour un photon) ou le moment cinétique. Une particule, ou un qubit, peut occuper plusieurs états à la fois. Ces états peuvent être «lus» un peu comme lire un bit de calcul classique comme 0 ou 1, mais un qubit a beaucoup plus de valeurs potentielles correspondant aux probabilités simultanées d’être 0 ou 1. Cette propriété accélère les calculs.

La décohérence, l’ennemi de l’informatique quantique, frappe lorsque des facteurs environnementaux décomposent l’état quantique. Décrits vaguement comme du «bruit», ces facteurs incluent l’enchevêtrement dans des environnements externes ou dans la chaleur. Mesurer la valeur d’un qubit réduit également la fonction d’onde, et le qubit doit être configuré à nouveau, comme si vous appuyiez sur le bouton «Effacer» d’une calculatrice.

Parce que nous ne comprenons toujours pas comment tout cela fonctionne, l’informatique quantique à grande échelle restera insaisissable à mesure que la science approfondira le monde quantique. La science est enracinée dans la théorie, qui doit ensuite être observée par l’expérience, qui affine ensuite la théorie et génère davantage d’expériences. À mesure que les résultats se solidifient, des applications pratiques émergent dans la technologie et la science.

Des algorithmes alimenteront les ordinateurs quantiques

Tandis que la théorie et la recherche fondamentale avancent et que les géants de la technologie explorent l’architecture fondamentale des ordinateurs quantiques, la clé pour exploiter tout leur potentiel sera d’utiliser des algorithmes, un ensemble d’instructions indiquant à l’ordinateur quoi faire. Ils doivent exploiter les caractéristiques uniques des ordinateurs quantiques sans succomber aux pièges inhérents au tigre du monde quantique. Bien que les preuves soient très suggestives, nous ne savons pas encore quelles classes d’algorithmes pourraient être activées de manière unique par l’informatique quantique.

Dans le cadre de travaux typiques de la synergie entre la théorie quantique, la science de l’information quantique et l’informatique, les scientifiques de Los Alamos ont adapté des algorithmes allant de la physique de la matière condensée à un nouvel objectif: découvrir et développer des algorithmes robustes pour les ordinateurs quantiques à petite échelle bruyants et problématiques.

Des recherches connexes appliquent l’apprentissage quantique par la machine, une stratégie exotique dans laquelle l’ordinateur quantique apprend lui-même à adapter ses propres algorithmes pour effectuer des calculs précis malgré le bruit.

La science quantique débouchera sur de nouvelles solutions 

L’informatique quantique attire l’attention des médias, en raison de ses prétentions extravagantes: elle rendra obsolètes les systèmes de cybersécurité actuels, elle traitera de vastes flux de données en un clin d’œil et permettra à l’intelligence artificielle de surpasser celle de l’humain. Une partie de cela pourrait se réaliser, d’autres peut-être pas.

Seul un engagement ferme en faveur d’une recherche quantique élargie nous le dira. Quoi qu’il en soit, ces recherches déboucheront sur des informations inattendues, de nouvelles solutions à des problèmes anciens et des avantages surprenants pour la compétitivité économique, la sécurité nationale et la vie quotidienne des pays.

Source : Scientific American
Crédit photo : Pixabay

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