Physique quantique 101 - Institut d'informatique quantique Université de Waterloo 200, avenue University Ouest Waterloo (Ontario), Canada N2L3G1 ...
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Physique quantique 101
Institut d’informatique quantique
Université de Waterloo
200, avenue University Ouest
Waterloo (Ontario), Canada N2L3G1
uwaterloo.ca/iqc
Copyright © 2021 Université de Waterloo 0 ¾
Physique quantique 101
Physique quantique 101
Qu’est-ce que la physique quantique?
La physique quantique, qui inclut la mécanique quantique, est la physique de l’infiniment petit. Elle
explique et prédit le comportement des atomes et des molécules d’une manière qui redéfinit notre
compréhension de la nature. Elle constitue la description la plus précise que nous ayons de l’univers,
et pourtant elle prédit des comportement surprenants, souvent contre-intuitifs.
Les scientifiques découvrent des façons de contrôler et d’exploiter ces comportements, en faisant
progresser la recherche en physique quantique et en trouvant de nouvelles applications dans ce
domaine. Nous sommes sur le point d’entrer dans l’ère quantique.
Les applications quantiques transforment notre manière de vivre, de travailler et de nous divertir. Des
technologies comme celles des capteurs quantiques, des ordinateurs quantiques et de la sécurité de
l’information quantique émergent de laboratoires dans le monde entier, et nous en voyons déjà les
immenses possibilités. Les scientifiques canadiens continuent de jouer un rôle important pour
repousser les limites des possibilités actuelles et futures des technologies quantiques.
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Physique quantique 101
Entrez dans le monde quantique et explorez avec nous :
Qu’est-ce que la mécanique quantique?
Notre réalité quantique
La mécanique quantique nous permet de décrire le monde atomique avec un degré de précision
surprenant. Ses prédictions défient souvent notre connaissance intuitive du monde.
Tous les phénomènes remarquables et surprenants du monde quantique viennent du fait que les
probabilités sont au cœur de la mécanique quantique. On ne peut jamais savoir à coup sûr ce qui va se
produire. On peut seulement savoir jusqu’à quel point il est probable qu’une chose arrive.
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Physique quantique 101
Notions élémentaires de mécanique quantique
• Les 2 règles d’or de la mécanique quantique
• Dualité onde-corpuscule
• Superposition quantique
• Interférence
• Mesures quantiques
• Quantification
• Effet tunnel
• Décohérence
• Intrication
• L’expérience des doubles fentes
Les 2 règles d’or de la mécanique quantique
Règle no 1 : Une particule peut être dans un état de superposition quantique, en vertu duquel elle se
comporte comme si elle était à la fois ici et là.
Règle no 2 : Lorsqu’on la mesure, la particule est ici ou bien là.
De nombreux phénomènes prédits par la mécanique quantique peuvent être compris à l’aide de ces
2 règles simples. Celles-ci s’appliquent à la position d’une particule ainsi qu’à de nombreuses autres
variables quantiques telles que la quantité de mouvement, le spin et la polarisation. Elles peuvent en
outre s’étendre à plus de 2 possibilités.
Dualité onde-corpuscule
Au début du XXe siècle, les scientifiques croyaient que la matière était constituée de particules et que
la lumière se comportait exclusivement comme une onde. Nous savons maintenant que ce n’est pas le
cas. La lumière ne peut être émise que sous forme d’unités appelées photons, que l’on peut compter
comme on compterait des billes. De grosses molécules peuvent produire des figures d’interférence
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Physique quantique 101
constructive et d’interférence destructive exactement comme des ondes à la surface de l’eau. La
dualité onde-corpuscule est la notion selon laquelle la matière et la lumière peuvent se comporter
comme des ondes et comme des particules.
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La nature ondulatoire et corpusculaire des objets quantiques est décrite par une fonction d’onde. Au
lieu de décrire une onde d’énergie comme une onde sonore ou une vague, la fonction d’onde décrit
une onde de probabilité. Les fonctions d’onde quantiques nous permettent de comprendre la nature
aléatoire du monde microscopique. Le point important est qu’une fonction d’onde envisage toutes les
possibilités de ce qui pourrait arriver à un moment donné et les probabilités correspondantes. La
notion de fonction d’onde est centrale en mécanique quantique et peut avoir de nombreuses
conséquences étranges.
Superposition quantique
La superposition est une propriété des ondes selon laquelle l’addition d’ondes donne une nouvelle
onde.
Vous connaissez déjà la superposition! Pensez aux cordes d’une guitare. Les cordes de mi, de sol et de
si produisent chacune une onde sonore. Lorsque l’on additionne ces ondes, on obtient une nouvelle
onde sonore — celle d’un accord de mi mineur.
Comme les particules quantiques ont une nature ondulatoire, elles peuvent être dans une
superposition quantique de différents états. Par exemple, si une particule est dans une superposition
de 2 endroits, elle agit comme si elle était aux 2 endroits en même temps — comme si elle était en
même temps « ici » et « là », ou « en haut » et « en bas ».
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Interférence
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Physique quantique 101
Il y a interférence lorsque 2 ou plusieurs ondes se rencontrent. Leurs crêtes et leurs creux peuvent se
renforcer, ce que l’on appelle l’interférence constructive, ou s’annuler, ce que l’on appelle
l’interférence destructive.
Dans le monde quantique, puisque les particules se comportent comme des ondes, l’interférence
quantique entre en jeu. L’interférence constructive augmente la probabilité de certaines choses,
comme de trouver la particule à un certain endroit, alors que l’interférence destructive diminue cette
probabilité.
Activité : Mesure de l’épaisseur d’un cheveu
Un cheveu humain est trop mince pour que l’on puisse en mesurer l’épaisseur à l’aide d’une règle. Peut-on la mesurer
en utilisant l’interférence lumineuse? Pour le savoir, essayez cette activité chez vous (en anglais seulement).
Mesures quantiques et principe d’incertitude
Dans le monde classique, on peut mesurer un même objet sous plusieurs aspects. Dans le cas d’une
pomme, on peut mesurer sa couleur, sa taille et son poids, le tout sur la même pomme. Le fait de
mesurer la couleur de la pomme ne devrait pas soudainement changer son poids.
Dans le monde quantique, on ne peut pas toujours mesurer le même objet sous plusieurs aspects. Un
exemple célèbre est le fait que l’on ne peut mesurer avec précision la position d’un électron que si l’on
ignore sa quantité de mouvement. Ce phénomène appelé principe d’incertitude décrit comment la
mesure d’une propriété d’une particule quantique perturbe immanquablement une autre propriété.
L’incertitude quantique est fondamentale dans l’étude de l’information quantique. Dans le monde
classique, il n’y a qu’une manière de mesurer l’état d’une pièce de monnaie : est-elle du côté pile ou du
côté face? Par contre, on peut mesurer une pièce quantique d’une infinité de manières incompatibles
en mesurant si elle est du côté pile, du côté face, ou une superposition des deux.
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Quantification
La quantification est le fait que seules des valeurs discrètes d’une propriété sont permises. À titre
d’exemple, les hauteurs discrètes que l’on peut atteindre dans un escalier se distinguent des hauteurs
continues que l’on peut atteindre sur une pente.
En musique, une corde de guitare ne peut vibrer qu’à des fréquences précises appelées
harmoniques, car toutes les autres fréquences possibles créent une interférence destructive. En
mécanique quantique, on observe un comportement semblable pour la lumière, les atomes, etc.
La quantification des propriétés quantiques est une conséquence de la nature ondulatoire des
particules. Les propriétés de particules quantiques confinées, par exemple leur énergie, sont limitées à
des valeurs discrètes, ou « quantifiées », qui pourraient être par ailleurs continues. Les couleurs vives
des lampes au néon constituent un exemple visible de quantification.
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Spectre d’émission de l’hélium. Lorsqu’on envoie une décharge électrique dans une
substance, les atomes et molécules de celle-ci absorbent de l’énergie, qui est réémise sous
forme de rayonnement électromagnétique, très souvent de la lumière visible. Les valeurs
discrètes de ces émissions impliquent que les états d’énergie des atomes et des molécules
sont quantifiés. De tels spectres atomiques ont été utilisés comme outils d’analyse pendant
des décennies avant que l’on comprenne pourquoi ils sont quantifiés.
Effet tunnel
Imaginez que l’on essaie de faire rouler une balle d’un côté à l’autre d’un monticule. L’expérience
montre que si l’on n’envoie pas la balle avec une vitesse suffisante, elle ne passera pas de l’autre côté
du monticule.
Si la balle était une particule quantique, elle n’aurait pas besoin d’une vitesse initiale donnée. À cause
de son comportement ondulatoire, il y a une faible probabilité qu’elle traverse le monticule pour
apparaître de l’autre côté! C’est ce que l’on appelle l’effet tunnel quantique.
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Physique quantique 101
Décohérence
Les états quantiques sont fragiles. Des interactions non désirées avec leur environnement peuvent
affecter une superposition, causant un effondrement de l’état quantique comme si on le mesurait.
C’est ce que l’on appelle la décohérence.
On peut lutter contre la décohérence en isolant les particules quantiques de leur environnement par
refroidissement ou en les mettant dans un vide.
Bien que la décohérence soit gênante, on peut quand même l’exploiter de manière avantageuse pour
créer des capteurs ultrasensibles.
Une manière qu’ont les scientifiques de lutter contre la décohérence consiste à refroidir les particules
quantiques à de très basses températures. À une fraction de degré au-dessus du zéro absolu,
l’environnement est très tranquille. Les particules quantiques peuvent alors rester beaucoup plus
longtemps dans des états de superposition, ce qui permet de les contrôler plus facilement et avec une
plus grande précision.
Intrication
Quand on peut connaître une propriété d’un objet en observant un autre objet, on dit qu’il y a une
corrélation entre les 2 objets. Par exemple, si vous sortez un soulier gauche d’une boîte à chaussures,
vous risquez peu de vous tromper en disant que l’autre soulier ira à votre pied droit.
Les particules quantiques peuvent avoir une corrélation d’un type particulier appelée intrication,
par laquelle 2 objets sont si fortement corrélés qu’ils sont décrits par la même fonction d’onde.
L’intrication décrit un état de superposition de plusieurs particules quantiques, par exemple
2 électrons.
Alors que les propriétés des électrons pris individuellement peuvent être hautement incertaines, les
propriétés d’électrons mesurés ensemble peuvent être incroyablement prévisibles. Par exemple,
2 électrons intriqués quant à leur position peuvent avoir des fonctions d’onde qui couvrent un grand
espace, mais lorsque l’on mesure la position d’un électron, on connaît du même coup la position
exacte de l’autre. On peut observer l’intrication de particules quantiques même si elles sont à une
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Physique quantique 101
grande distance l’une de l’autre. Certaines expériences ont montré des cas d’intrication à des distances
de centaines de kilomètres.
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L’expérience des doubles fentes
L’expérience des doubles fentes est un exemple fondamental en mécanique quantique, qui relie les
concepts de superposition, d’interférence, d’incertitude, de mesure et de quantification.
Lorsque la lumière traverse un passage tel qu’une fente étroite, elle se disperse. S’il y a 2 fentes
étroites à proximité l’une de l’autre, la lumière qui traverse une fente se disperse dans la lumière qui
traverse l’autre fente. Si l’on observe la lumière assez loin des fentes, on peut voir des régions
d’interférence constructive, où la lumière est plus intense, et des régions d’interférence destructive, où
il n’y a pas de lumière du tout. Cela se comprend, puisque les ondes lumineuses qui se dispersent à
partir de la première fente interfèrent avec celles qui se dispersent à partir de la seconde fente.
Cependant, étant donné la quantification, on sait que la lumière est émise par unités discrètes
appelées photons. Que se passe-t-il si l’on envoie un seul photon dans l’expérience des doubles
fentes? Si l’on mesure par quelle fente le photon passe, en mettant un détecteur immédiatement après
chacune des fentes, on constate qu’il ne traverse que l’une ou l’autre fente. Mais si l’on fait des
mesures assez loin des fentes, on voit qu’une figure d’interférence se forme lentement, un photon à la
fois :
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Physique quantique 101
Source de la vidéo : KOLENDERSKI, P., et al. (IQC et Université de Waterloo), Scientific Reports, vol. 4,
2014, article no 4685. (laboratoire de Thomas Jennewein).
Les 2 règles d’or de la mécanique quantique entrent en jeu. Le photon traverse une superposition
des 2 fentes, et il y a interférence entre les fonctions d’onde des 2 fentes. À la différence de
l’expérience classique des doubles fentes, l’interférence ne porte pas sur l’énergie des ondes, mais
plutôt sur les probabilités des fonctions d’onde.
Par contre, si l’on mesure par quelle fente le photon passe, on voit celui-ci dans une fente ou bien
l’autre, jamais dans les deux en même temps. La mesure de la fente par laquelle le photon passe
perturbe la superposition et détruit l’interférence. En effet, il est impossible de savoir précisément par
quelle fente un photon est passé et en même temps de connaître la figure d’interférence. C’est un
exemple du principe d’incertitude en action!
Applications actuelles de la physique quantique
Nous sommes entourés de technologies qui reposent sur des phénomènes quantiques. La première
vague de technologies quantiques nous a donné le transistor, sur lequel reposent les ordinateurs
modernes et la communication numérique. Voici d’autres exemples de technologies fondées sur la
mécanique quantique :
10 ¾Physique quantique 101
• Imagerie médicale par résonance magnétique
• Lasers
• Cellules solaires
• Microscopes électroniques
• Horloges atomiques utilisées pour le GPS
Et il y en a bien d’autres! Ces technologies reposent sur des effets quantiques qui n’ont besoin que
d’un contrôle limité. Les technologies de l’information quantique visent à contrôler totalement des
systèmes quantiques individuels. Un tel degré de contrôle promet de nouvelles possibilités de calcul,
de communication numérique, de détection, ainsi que d’autres applications.
Imagerie médicale par résonance magnétique
L’imagerie par résonance magnétique (IRM) a révolutionné le diagnostic de maladies, en fournissant
aux professionnels de la santé une méthode non effractive de production d’images de l’intérieur du
corps humain. Les appareils d’IRM fonctionnent grâce à une propriété quantique appelée spin, qui
donne à chaque atome une propriété magnétique prévisible. En excitant ces aimants avec une lumière
de fréquence radio, on peut produire des images 3D d’objets à partir de l’extérieur de ceux-ci.
Les appareils d’IRM modernes ont une résolution suffisante pour produire des images de cheveux
individuels. Les physiciens travaillent à mettre au point une nouvelle technique d’IRM des milliers de
fois plus précise — presque jusqu’à la taille d’un atome — en utilisant comme processeurs quantiques
des défauts à l’intérieur de diamants.
La physique quantique stimule la prochaine révolution en imagerie
médicale
Lisez l’article Voir l'invisible pour savoir comment Michele Piscitelli,
postdoctorante à l’IQC, s’efforce d’amener l’IRM à l’échelle nanométrique.
11 ¾Physique quantique 101
Lasers
Le rayonnement laser, dont le nom est l’acronyme de Light Amplification by Stimulated Emission of
Radiation (amplification de la lumière par émission stimulée de rayonnement) résulte d’un processus
quantique qui produit un faisceau lumineux hautement focalisé. Le rayonnement laser n’est possible
que grâce aux niveaux d’énergie quantifiés à l’intérieur des atomes, que l’on peut manipuler pour
émettre davantage de lumière lorsqu’on les éclaire avec un processus d’émission stimulée.
Les lasers sont utilisés pour le stockage sur disque optique (DVD), pour des interventions
chirurgicales, pour les télécommunications et les connexions Internet par fibre optique, pour jouer
avec des chats et pour de nombreuses autres applications. Ils ont en outre un rôle-clé dans la
construction d’autres dispositifs quantiques tels que les horloges atomiques.
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Cellules solaires
Les cellules solaires transforment la lumière en courant électrique, par un processus appelé effet
photovoltaïque. Cet effet ne peut s’expliquer que si la lumière se présente sous forme d’unités
discrètes (les photons) — ce qui est une pierre angulaire de la mécanique quantique.
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Microscopes électroniques
Hauteur = 591,7 nm
Largeur = 1,178 µm
GUINESS WORLD RECORDSMC a attribué en septembre 2016 à ce drapeau canadien le titre
de plus petit drapeau national. Ce drapeau ne mesure que 1,178 micromètre dans sa plus
grande dimension. Il a été créé et photographié ici, à l’Institut d’informatique quantique, et
n’est visible que par microscopie électronique. Renseignez-vous davantage sur ce record
mondial.
Les microscopes électroniques permettent de voir certains des plus petits détails dans le monde, en
utilisant des électrons plutôt que de la lumière comme source d’illumination. Comme la longueur
d’onde des électrons est jusqu’à 100 000 fois plus petite que celle de la lumière visible, les
microscopes électroniques ont une résolution très supérieure à celle des microscopes optiques
traditionnels. Les microscopes électroniques à effet tunnel sont des microscopes qui utilisent l’effet
tunnel quantique pour réaliser des images de surfaces de matériaux avec une précision atomique.
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Horloges atomiques
Le système GPS (Global Positioning System ou GéoPositionnement Satellitaire) fait appel à des
horloges atomiques très précises pour la géolocalisation. Les horloges atomiques sont supérieures à
tous les autres types d’horloges. Elles tiennent le temps en suivant le signal micro-onde émis par des
électrons dans des atomes lorsqu’ils changent de niveau d’énergie. Les meilleures horloges atomiques
13 ¾Physique quantique 101
actuelles sont tellement précises que si l’on avait mis en marche en même temps 2 de ces horloges
identiques il y a 3 milliards d’années, l’écart entre les 2 serait aujourd’hui inférieur à une seconde!
Voici un piège à atomes utilisé dans le laboratoire Bajcsy de nanophotonique et d’optique
quantique à l’Institut d’informatique quantique. Ce genre de piège est très semblable à ceux
que l’on emploie pour piéger des atomes dans les horloges atomiques. Lisez ce document
PDF pour savoir comment des chercheurs de l’IQC utilisent en laboratoire des atomes
refroidis par laser pour permettre des interactions entre photons.
Qu’est-ce que la science et technologie de l’information quantique?
Le domaine de la science et technologie de l’information quantique (STIQ) réunit 2 avancées majeures
du XXe siècle : la mécanique quantique et la technologie de l’information.
La mécanique quantique est la théorie scientifique la plus précise. Elle décrit le monde à son
niveau le plus fondamental. La technologie de l’information a donné naissance à l’ordinateur,
aux communications numériques et à d’autres appareils qui ont transformé notre manière de vivre.
Que se passe-t-il lorsque l’on réunit la mécanique quantique et la technologie de l’information? On
obtient la STIQ!
14 ¾Physique quantique 101
La science et technologie de l’information quantique exploitera la puissance de la mécanique
quantique pour donner naissance à une ère technologique radicalement nouvelle. Elle nous permettra
de faire des choses impensables ou même impossibles avec la technologie actuelle.
Pour en savoir plus :
Une nouvelle ère de la science et technologie de l’information
Na Young Kim, professeure agrégée à l’IQC ainsi qu’au Département de génie électrique et
informatique, explique pourquoi la recherche en science et technologie de l’information quantique est
le moteur principal d’une nouvelle ère.
• Visionnez cette vidéo dans YouTube
15 ¾Physique quantique 101
Qu’est-ce qu’un qubit?
Des bits aux qubits
Un ordinateur numérique mémorise et traite l’information sous forme de bits, chiffres binaires qui
peuvent prendre l’une des valeurs 0 ou 1. Physiquement, un bit peut être n’importe quoi qui possède
2 configurations distinctes, l’une correspondant à la valeur 0, l’autre correspondant à la valeur 1. Ce
peut être une ampoule allumée ou éteinte, une pièce de monnaie montrant le côté pile ou le côté face,
ou tout autre système présentant 2 possibilités différentes et reconnaissables. Dans l’informatique et
les communications modernes, les bits sont représentés par l’absence ou la présence d’un signal
électrique, états qui correspondent respectivement aux valeurs 0 et 1.
Un bit quantique est n’importe quel bit concrétisé par un système quantique tel qu’un électron ou
un photon. Tout comme un bit classique, un bit quantique doit posséder 2 états distincts qui
représentent les valeurs 0 et 1. À la différence d’un bit classique, un bit quantique peut également
exister dans des états de superposition, être susceptible de mesures incompatibles ou même être
intriqué avec d’autres bits quantiques. La capacité d’exploiter la puissance de la superposition, de
l’interférence et de l’intrication rend les qubits fondamentalement différents et beaucoup plus
puissants que les bits classiques.
Pour construire des ordinateurs quantiques et d’autres appareils de traitement de l’information
quantique, il faut des objets quantiques faisant office de qubits. Les scientifiques ont appris à
exploiter et à contrôler plusieurs systèmes physiques qui agissent comme des qubits. Cela permet de
choisir le type de qubits en fonction des besoins de diverses technologies quantiques.
Voici les qubits
Il y a plusieurs types de qubits. Certains sont naturels, d’autres artificiels. Voici quelques-uns des
types les plus répandus :
• Spin
• Atomes et ions piégés
• Photons
• Circuits supraconducteurs
16 ¾Physique quantique 101
Spin
La plupart des particules quantiques se comportent comme de petits aimants. Cette propriété
s’appelle le spin. Un spin est toujours orienté vers le haut ou vers le bas, mais jamais entre les deux.
On peut construire un qubit en utilisant les états de spin vers le haut et vers le bas.
0 = vers le haut, 1 = vers le bas
Pour en savoir plus sur le spin
Lisez ce document PDF pour savoir comment
des chercheurs de l’IQC tels que le professeur
adjoint Guo-Xing Miao créent de nouveaux
matériaux pour exploiter le spin afin de faire
progresser la mise au point de nouvelles
technologies quantiques.
17 ¾Physique quantique 101
Atomes et ions piégés
Les niveaux d’énergie d’électrons dans des atomes neutres ou dans des ions peuvent servir de qubits.
À leur état naturel, ces électrons occupent les niveaux d’énergie les plus bas possibles. À l’aide de
lasers, on peut « exciter » les électrons pour les amener à un niveau d’énergie supérieur. Les valeurs
de qubits peuvent être attribuées en fonction de l’état d’énergie des électrons.
0 = état de faible énergie, 1 = état de forte énergie
Pour en savoir plus sur les atomes et ions piégés
Le contrôle d’atomes et photons individuels ainsi que de
leurs interactions pourrait permettre de mieux simuler des
systèmes quantiques complexes. Lisez ce document PDF
pour vous renseigner sur les recherches menées dans le
laboratoire du professeur Kyung Soo Choi, dont l’équipe
étudie ces interactions à l’échelle atomique. Dans le
laboratoire de nanophotonique et d’optique quantique de
Michal Bajcsy, des atomes sont refroidis par laser pour
favoriser les interactions entre photons (document PDF).
18 ¾Physique quantique 101
Photons
Les photons, qui sont des particules individuelles de lumière, peuvent servir de qubits de plusieurs
manières.
Qubits de polarisation
Chaque photon transporte un champ électromagnétique orienté dans une direction précise. Cette
propriété s’appelle la polarisation. Les 2 états employés pour définir des qubits sont la polarisation
horizontale et la polarisation verticale.
0 = horizontale, 1 = verticale
Activité : De l’art avec la polarisation
Faites cette activité chez vous pour voir la polarisation de la lumière en action (en anglais seulement).
Montrez-nous vos résultats dans Twitter, à l’adresse @QuantumIQC, avec le mot-clic #QuantumArt!
19 ¾Physique quantique 101
Qubits de trajectoire
La trajectoire empruntée par un photon constitue une autre manière de définir un qubit. On peut
effectivement mettre un photon en état de superposition et qu’il soit à la fois « ici » et « là », en
utilisant des séparateurs de faisceau.
0 = trajectoire du haut, 1 = trajectoire du bas
20 ¾Physique quantique 101
Qubits de moment d’arrivée
On peut aussi construire des qubits à l’aide de photons en utilisant leur moment d’arrivée. Il est
possible de créer une superposition quantique d’un photon arrivant « de manière hâtive » et d’un
photon arrivant « de manière tardive ».
0 = arrivée hâtive du photon, 1 = arrivée tardive du photon
Pour en savoir plus sur les photons
Voyez comment des chercheurs de l’IQC utilisent des photons pour faire progresser la
technologie et la recherche fondamentale (document PDF) et mettre la théorie à
l'épreuve, un photon à la fois (document PDF)
21 ¾Physique quantique 101
Circuits supraconducteurs
Lorsqu’ils sont refroidis à une température suffisamment basse, certains matériaux permettent à un
courant électrique de passer sans résistance. Ces matériaux sont dits supraconducteurs. On peut
concevoir des circuits électriques fondés sur des supraconducteurs de manière à ce qu’ils se
comportent comme des qubits. Contrairement aux autres exemples de qubits, ces systèmes artificiels
sont faits de milliards d’atomes. Chacun se comporte néanmoins comme un système quantique
unique. Une manière de construire un qubit supraconducteur consiste à attribuer une valeur au sens
du courant dans un circuit électrique.
0 = courant dans le sens horaire, 1 = courant dans le sens antihoraire
Pour en savoir plus sur les circuits supraconducteurs
Renseignez-vous à propos des circuits supraconducteurs et du travail de chercheurs de l’IQC sur ces
types de qubits :
– le doctorant Vadiraj Ananthapadmanabha Rao utilise des circuits micro-ondes supraconducteurs
pour étudier les interactions entre lumière et matière;
– le professeur adjoint Matteo Mariantoni a mis au point avec ses collaborateurs une prise
quantique (document PDF), nouvelle technique de câblage en 3 dimensions qui relie des circuits
électroniques traditionnels à des circuits quantiques;
– le professeur Adrian Lupascu étudie les dispositifs et capteurs quantiques supraconducteurs
(document PDF).
• Visionnez cette vidéo dans YouTube
22 ¾Physique quantique 101
Capteurs quantiques
Sensibilité, sélectivité et efficacité accrues
Les états quantiques sont fragiles. Cela constitue un défi pour le calcul quantique, mais un immense
avantage pour la mise au point de détecteurs à haute sensibilité. Les capteurs quantiques vont nous
permettre de percevoir comme jamais auparavant les caractéristiques les plus petites de notre monde.
Ils ont de nombreuses applications potentielles, telles qu’une médecine personnalisée, la détection
précoce de cancers, la cartographie de processus biologiques, la cartographie en 3D de molécules
individuelles de protéines, les nanotechnologies, une meilleure exploration géologique, et bien
d’autres encore!
23 ¾Physique quantique 101
Les capteurs quantiques joueront également un rôle crucial dans la découverte de nouveaux
matériaux quantiques nécessaires pour construire un ordinateur quantique de grande taille.
Un exemple prometteur de capteur quantique utilise les défauts présents dans des diamants. Un
diamant parfait est formé de carbone pur, mais parfois un atome d’azote s’y glisse, créant un défaut.
Ce défaut renferme des électrons capables d’absorber la lumière verte et d’émettre des photons rouges
à proximité d’un très faible champ magnétique. Les scientifiques pourraient utiliser cette propriété
pour capter le spin du noyau de l’atome d’hydrogène — le proton. Cela leur permettrait de créer des
détecteurs très sensibles capables de produire des images 3D de petites molécules, ainsi que des
images 3D de molécules biologiques complexes telles que des protéines.
Pour en savoir plus sur les capteurs quantiques
L’illustration ci-dessous est une représentation artistique de la technologie avancée sur laquelle on
travaille dans le laboratoire de Michael Reimer, chercheur à l’IQC. Elle représente des impulsions
de photons individuels incidents qui sont absorbés par un photodétecteur formé d’un réseau de
nanofils semiconducteurs coniques. Renseignez-vous sur cette technologie de pointe de détection
quantique, et voyez comment Michael Reimer travaille à la mise au point d’un capteur quantique
qui pourrait aider à améliorer le traitement de cancers.
24 ¾Physique quantique 101
Simulation quantique
Étudier des systèmes quantiques
Pour comprendre de grands systèmes quantiques tels que des molécules complexes, il faut
comprendre et modéliser les interactions quantiques entre leurs composantes. Pour effectuer des
simulations informatiques de ces systèmes, nous devons « enseigner » la mécanique quantique à nos
ordinateurs, ce qui est très difficile avec des ordinateurs classiques.
Si, par contre, nous simulons un système quantique à l’aide d’un autre système quantique plus facile à
contrôler et à étudier, nous pouvons gagner en efficacité. En effet, le simulateur quantique n’a pas
besoin d’« apprendre » la mécanique quantique, puisqu’il fonctionne déjà selon ses règles!
Voici des applications possibles de la simulation quantique.
Physique quantique pour la médecine
Les maladies d’Alzheimer, de Parkinson et de Huntington ont une chose en commun : elles sont dues
à des molécules de protéine mal repliées. Des simulations quantiques peuvent nous aider à
comprendre le repliement de protéines et à trouver un traitement de ces maladies.
25 ¾Physique quantique 101
Matériaux supraconducteurs
À l’heure actuelle, jusqu’à 10 % de l’électricité est perdue au cours de sa transmission. Les
supraconducteurs peuvent transporter du courant électrique sans perte. Les supraconducteurs actuels
ne fonctionnent qu’à des températures inférieures à –100 °C. Des simulations quantiques seront
cruciales pour la mise au point de supraconducteurs à haute température, capables de transporter
sans perte du courant à partir des centrales électriques.
Physique quantique pour l’environnement
La compréhension de la dynamique quantique précise des réactions chimiques peut apporter
d’énormes bénéfices à notre environnement. Par exemple, des simulateurs quantiques pourraient
permettre de trouver des catalyseurs chimiques pour éliminer du CO2 de l’atmosphère ou diminuer
les quantités massives d’énergie nécessaires pour fabriquer des engrais.
26 ¾Physique quantique 101
Spintronique
La spintronique, ou électronique de spin, utilise la charge électrique et le spin quantique des électrons
pour stocker et manipuler de l’information. Elle promet des technologies plus rapides et beaucoup
moins énergivores. Des simulations aideront à mettre au point les matériaux nécessaires pour des
applications pratiques de la spintronique.
Simulation de systèmes quantiques
L’étude à la fois théorique et expérimentale de la simulation quantique ouvre la voie à des
découvertes. Christine Muschik, professeure adjointe à l’IQC ainsi qu’au Département de
physique et d’astronomie, étudie des simulations quantiques de théories de jauge. Ces théories
décrivent les interactions entre particules au niveau le plus fondamental. Lisez ce document PDF
sur la manière dont elle élabore des concepts pratiques de simulation qui pourraient engendrer des
simulateurs spécialisés en laboratoire.
Rajibul Islam, chercheur principal au laboratoire d’informatique quantique avec des ions piégés
ainsi que professeur adjoint au Département de physique et d’astronomie, est à l’avant-garde de la
recherche expérimentale sur des ions piégés en tant que simulateurs quantiques. Voyez comment
son équipe exploite le potentiel des ions piégés.
27 ¾Physique quantique 101
Informatique quantique
Une manière différente et plus puissante de calculer
Depuis les années 1940, les règles de l’informatique n’ont pas changé. Année après année, les
ordinateurs sont constamment devenus plus petits et plus rapides, mais leurs opérations
fondamentales demeurent les mêmes. Ils obéissent encore aux lois du traitement de l’information,
qu’ils effectuent en faisant des opérations sur des bits. Les ordinateurs quantiques manipulent des
qubits au lieu de bits. Avec la superposition et l’intrication, les états de qubits multiples deviennent
très complexes. En exploitant ces états complexes, les ordinateurs quantiques seront capables de
résoudre de nombreux problèmes beaucoup plus vite que les ordinateurs actuels.
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Comment construire un ordinateur quantique
Le principe de l’ordinateur quantique fonctionne sur papier, mais il faut pouvoir en construire un, ce
qui est beaucoup plus facile à dire qu’à faire. La difficulté vient de 2 exigences contradictoires :
1. l’ordinateur doit être complètement isolé du monde qui l’entoure, afin de
protéger l’état fragile des qubits;
2. il faut pouvoir interagir avec les qubits pour les contrôler.
Il faut trouver le bon système réalisant l’équilibre entre ces exigences. Il existe déjà plusieurs
prototypes d’ordinateurs quantiques. Comme ils ne sont pas encore assez évolués pour fournir un
avantage sur les ordinateurs numériques, nous ne sommes qu’à l’aube de l’ère quantique.
Quand utiliser un ordinateur quantique
À la différence des progrès de l’informatique numérique, qui consistent à augmenter la quantité de
mémoire ou la vitesse du processeur, l’informatique quantique modifie de manière fondamentale et
spectaculaire la manière de résoudre des problèmes. Les algorithmes doivent être complètement
28 ¾Physique quantique 101
repensés, et la détermination des problèmes dont la résolution bénéficierait de l’utilisation d’un
ordinateur quantique demeure un domaine actif de recherche.
Pour de nombreux problèmes, on s’attend à ce que les ordinateurs quantiques ne soient pas meilleurs
que les ordinateurs numériques. Par exemple, rien n’indique qu’un ordinateur quantique serait
supérieur à un ordinateur numérique pour exécuter un logiciel de traitement de texte. D’autres
problèmes, comme la multiplication de 2 nombres, sont déjà « faciles » à résoudre pour les
ordinateurs numériques.
Par contre, les ordinateurs quantiques peuvent offrir des avantages importants dans le cas de certains
problèmes. Alors que la multiplication de 2 nombres est facile à effectuer pour un ordinateur
numérique, le processus inverse (la factorisation) est beaucoup plus difficile. Même les
superordinateurs les plus puissants au monde mettraient des années à factoriser un nombre de
400 chiffres. En 1994, Peter Shor a démontré qu’un ordinateur quantique robuste et de grande taille
pourrait effectuer cette opération de manière exponentiellement plus rapide.
Des algorithmes quantiques pour des tâches comme la recherche et l’optimisation ont aussi été
découverts et n’attendent plus que le bon matériel pour être exécutés. Il y a probablement encore bien
d’autres algorithmes quantiques à découvrir.
Qui construit un ordinateur quantique?
À l’Institut d’informatique quantique (IQC), les chercheurs repoussent les limites et explorent de
nouvelles voies de développement théorique et expérimental d’ordinateurs quantiques.
La recherche théorique centrée sur la mise au point d'algorithmes révèle de nombreuses
utilisations possibles d’un ordinateur quantique et contribue à améliorer notre compréhension des
systèmes et réseaux quantiques complexes. Lisez ce document PDF à propos de la théorie qui sous-
tend les systèmes et réseaux quantiques.
En laboratoire, la recherche expérimentale donne un aperçu des applications futures des
ordinateurs quantiques. Les chercheurs étudient divers types d’environnement de calcul quantique,
notamment les atomes piégés, les ions piégés (document PDF), les circuits supraconducteurs et
l’électronique de spin nanométrique (document PDF).
Certaines recherches passent déjà de la théorie ou de l’expérimentation à la commercialisation, et
de nouvelles entreprises dans le domaine quantique voient le jour. À titre d’exemple, mentionnons
Quantum Benchmark, fondée par Joseph Emerson et Joel Wallman, professeurs à l’IQC, qui ont
reconnu le besoin immédiat de logiciels capables de mesurer, d’atténuer et de corriger les erreurs à
l’intérieur d’un ordinateur quantique. Renseignez-vous sur la mission que s’est donnée l’entreprise
de permettre la résolution de problèmes réels à l’aide d’ordinateurs quantiques.
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29 ¾Physique quantique 101
Jonathan Baugh, professeur à l’IQC, utilise des semiconducteurs pour fabriquer des dispositifs de
contrôle d’électrons individuels, une manière possible de construire un ordinateur quantique
évolutif.
Communications quantiques
Cryptographie quantique
L’une des plus grandes menaces qui pèsent sur notre monde fortement connecté réside dans la
vulnérabilité des communications numériques. Des pirates imaginent des manières de voler notre
identité, notre argent et nos secrets. La cryptographie, science des secrets, permet de transmettre de
l’information sur de longues distances tout en la protégeant des intrusions malvenues. La plupart des
méthodes modernes de cryptographie reposent sur des techniques comme celle de la factorisation,
difficile à effectuer à l’aide d’ordinateurs numériques. L’avènement possible d’ordinateurs quantiques
dans un avenir rapproché nous force à réexaminer nos manières d’assurer la sécurité des données.
La distribution quantique de clés (DQC) est une forme de cryptographie fondée sur le principe
d’incertitude. Elle assure une sécurité absolue de l’information, même contre une attaque menée par
un ordinateur quantique.
La DQC est déjà utilisée. Plusieurs entreprises commercialisent des systèmes de DQC, et de nombreux
gouvernements et organismes privés y ont recours pour assurer la sécurité de l’information. Elle a
servi dès 2007 à protéger les résultats d’une élection en Suisse.
La DQC vise à créer entre 2 parties une clé secrète partagée qui soit parfaitement sûre. Dans la version
la plus simple, une partie envoie des qubits dans certains états quantiques à l’autre partie, qui les
observe ou les mesure. Tout intrus potentiel doit aussi mesurer ces qubits, ce qui laisse une trace
détectable. Cela est dû au principe d’incertitude, en vertu duquel il est impossible de mesurer un état
quantique sans le perturber.
Si les qubits ont été perturbés, les 2 parties savent qu’ils doivent abandonner la communication et ne
plus utiliser la clé secrète. Sinon, ils peuvent se servir de la clé pour avoir une communication
parfaitement sûre.
30 ¾Physique quantique 101
La cryptographie à l’épreuve des attaques quantiques est une technique complémentaire à la DQC.
Les ordinateurs quantiques ont des avantages sur les ordinateurs numériques dans le cas de
nombreux problèmes, mais pas tous. La cryptographie à l’épreuve des attaques quantiques met
l’accent sur la mise au point de nouvelles méthodes de cryptographie classiques fondées sur des
problèmes mathématiques réputés difficiles à résoudre même pour des ordinateurs quantiques.
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Les membres du laboratoire de photonique quantique, dirigé par Thomas Jennewein, chercheur à
l’Institut d’informatique quantique (IQC), ont conçu et réalisé un dispositif opérationnel portatif
de distribution quantique de clés (DQC).
Téléportation quantique
Ne vous emballez pas trop : il ne s’agit pas de téléporter des êtres humains! La téléportation
quantique consiste à téléporter de l’information, et non de la matière. C’est une sorte de télécopie
quantique.
La téléportation quantique fait appel à l’intrication pour transférer l’état quantique d’une particule à
une autre particule. Dans le processus, la téléportation détruit l’état quantique initial. Ce qui est
intéressant, c’est que l’état quantique n’est jamais présent entre les emplacements des 2 particules.
Les scientifiques ont réalisé de nombreuses démonstrations de téléportation quantique à l’aide d’ions
piégés, de spins, de photons et de qubits supraconducteurs. En 2012, une équipe de Vienne et de
l’Université de Waterloo a téléporté l’état d’un photon sur une distance de plus de 143 km entre deux
des îles Canaries.
La téléportation n’est pas seulement une curiosité scientifique. Elle joue un rôle important dans de
nombreuses architectures d’ordinateurs quantiques, où elle permet l’échange d’information
quantique entre différents qubits.
Communiquer en toute sécurité
Des chercheurs tirent parti de la puissance du monde quantique pour mettre au point des canaux
de communication et des réseaux quantiques mondiaux ultrasûrs. Les progrès de la recherche se
font sentir dans plusieurs domaines, dont la sécurité, la protection de la vie privée, la
cryptographie et les réseaux quantiques mondiaux satellitaires. Voyez comment des chercheurs
de l’IQC sont à l’avant-garde dans ce domaine :
- Debbie Leung, professeure à l’IQC, travaille sur les communications quantiques afin
d’assurer des communications confidentielles, un droit fondamental de la personne;
- Nigar Sultana, adjointe de recherche à l’IQC, participe à une mission visant à mettre sur
pied un réseau satellitaire de communications mondiales sûres.
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31 ¾Physique quantique 101
Matériaux quantiques
Créer des matériaux aux propriétés quantiques uniques
De nombreux moyens technologiques dont nous nous servons aujourd’hui, par exemple les lasers et
les transistors, n’ont pas l’air très quantiques en apparence. Les effets quantiques sont essentiels pour
créer et comprendre ces outils, mais lorsque nous nous servons de ceux-ci, ces effets sont invisibles à
l’œil nu. Cela ressemble à la manière dont de nombreux scientifiques et ingénieurs imaginent des
matériaux quantiques, où des effets quantiques à petite échelle entraînent de grands changements
dans les propriétés des matériaux.
Les supraconducteurs constituent un exemple de matériaux quantiques. Une fois qu’ils sont refroidis
en dessous d’une certaine température, ils laissent passer un courant électrique avec une résistance
nulle, ce qui permet de transporter de l’électricité sans perte et d’éliminer le champ magnétique. Cela
s’explique toutefois par une bizarrerie de la mécanique quantique : les électrons forment des paires et
se mettent à manifester des propriétés ondulatoires. Nous ne voyons pas directement les électrons,
mais cet effet microscopique modifie radicalement le comportement du matériau.
La connaissance de la structure de matériaux du point de vue de la mécanique quantique, ainsi que
l’expérimentation de nouvelles structures et composantes, peuvent amener de nouveaux effets, utiles
en détection et informatique quantiques, et au-delà.
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Les matériaux quantiques exigent un
équipement spécial, tel que celui du
laboratoire de dépôt de couches sous
ultravide (document PDF) de l’Institut
d’informatique quantique, pour
fabriquer par couches des structures
personnalisées.
L’importance des matériaux quantiques
La création de matériaux aux propriétés quantiques uniques servant à la mise au point de processeurs
et dispositifs quantiques évolués ouvre de nouvelles perspectives pour :
• la construction de dispositifs quantiques pratiques;
• le stockage d’énergie à grande capacité;
• le transport d’électricité sans perte.
Voyez les matériaux quantiques en action
Au cours de l’histoire, la pierre, ainsi que le fer et d’autres métaux, ont contribué de manière
importante au développement de la technologie. Les matériaux joueront à nouveau un rôle
révolutionnaire à l’ère quantique. Renseignez-vous à propos des recherches sur les matériaux
quantiques :
- lisez le point de vue de Na Young Kim, professeure à l’IQC et chercheuse principale au
laboratoire d’innovation quantique (QuIN), sur la recherche et les découvertes scientifiques
(document PDF);
- lisez comment le professeur Adam Wei Tsen, qui dirige le laboratoire de matériaux et
dispositifs quantiques, est à la recherche du silicium de l'avenir;
- voyez ce qu’il faut pour construire des dispositifs quantiques multifonctionnels (document
PDF).
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