La mécanique quantique s’est construite dans la première moitié du 20e siècle après les travaux pionniers de Max Planck et Albert Einstein proposant la notion de « quantum ». Cette théorie a révolutionné notre compréhension du monde physique, des particules élémentaires aux molécules et à la biologie. Elle est à la base de nombreux objets du quotidien comme les circuits électroniques ou le GPS. La seconde moitié du 20e siècle a vu des progrès considérables à la fois dans la compréhension des concepts et dans la manipulation des objets quantiques à l’échelle microscopique ou même individuelle. Nous sommes à un moment charnière où des technologies de rupture, basées sur ces concepts fondamentaux, débouchent sur de nouvelles applications inimaginables il y a vingt ans et impactant les capacités de calcul, les méthodes d’optimisation, ou la sécurité des transferts de données.
On peut identifier quatre grande familles d’applications qui structurent les technologies quantiques dans la plupart des actions internationales et font l’objet des quatre axes thématiques du DIM QuanTiP :
- Calcul et informatique quantique,
- Simulateurs quantiques,
- Communications quantiques,
- Capteurs quantiques et métrologie.
Calcul et informatique quantique
En remplaçant la logique classique 0/1 des processeurs actuels (les bits) par celle des qubits (les bits quantiques) fondés sur la superposition et l’intrication, on obtient en théorie une « machine quantique universelle » capable de réduire considérablement le temps d’exécution de certains algorithmes (problèmes d’optimisation, apprentissage automatique, méthodes de cryptographie).
Le double défi du calcul et de l’informatique quantique est d’une part de disposer d’un grand nombre de qubits « physiques » robustes à la décohérence, d’autre part de concevoir l’architecture et les protocoles pour les utiliser le plus efficacement possible. Les qubits peuvent être réalisés à partir de systèmes physiques très variés (ions, photons, atomes froids, supraconducteurs, semi-conducteurs)…
Simulateurs quantiques
Certaines questions spécifiques sont inaccessibles même aux super calculateurs classiques mais ne nécessitent pas pour autant d’ordinateur quantique universel. L’objectif des simulateurs quantiques est de répondre à ces questions, en modélisant le comportement de systèmes constitués de nombreux objets quantiques en interaction. L’idée est de simuler le problème étudié avec un autre système quantique, plus facile à manipuler, et d’explorer des configurations ou des jeux de paramètres inaccessibles au système initial. La vérification des simulateurs quantiques est essentielle et requiert des efforts pluridisciplinaires d’amélioration des modèles théoriques.
en cours…
Communications quantiques
Une des applications les plus matures des technologies quantiques concerne l’échange sécurisé d’information par le biais de communications quantiques, qui généralisent les méthodes de cryptographie quantique. Le fondement de cette sécurité repose sur le codage d’information dans des variables quantiques, auxquelles un espion ne peut accéder sans les modifier. L’objectif est de construire des réseaux de communication quantique étendus et hybrides (associant plusieurs plateformes physiques de support de l’information quantique et plusieurs types d’encodage) et d’y permettre des échanges sécurisés résistants à des attaques par des super-ordinateurs, classiques ou quantiques.
en cours…
Capteurs quantiques
Quel que soit le système physique utilisé (atomes, molécules, spins, dispositif optomécanique de dimension micro ou nanométrique), les capteurs quantiques fonctionnent en exploitant les propriétés quantiques de la matière et de la lumière pour obtenir une très grande sensibilité aux champs de force extérieurs. Ils permettent de mesurer un large éventail de grandeurs physiques, ouvrant des applications dans de nombreux domaines à fort impact sociétal, comme la surveillance du climat et des ressources naturelles, la santé, le positionnement, la navigation et la datation, ou la prévention des catastrophes naturelles. Si ces capteurs sont souvent limités par des sources de bruit classiques, les protocoles de mesure exploitant les corrélations quantiques offrent la possibilité de repousser leur sensibilité en dessous de la limite quantique standard.
en cours…
Les technologies quantiques exploitent les concepts de superposition ou d’intrication ainsi que le contrôle d’objets quantiques individuels pour sécuriser les communications, développer des capteurs ultra sensibles ou révolutionner le calcul et la simulation numérique.
Superposition Quantique
Le monde est tel qu’un objet peut exister dans plusieurs états distincts. On dit que l’objet est dans une superposition quantique d’états quand il se trouve dans plusieurs de ces états simultanément. Mais les états superposés sont fragiles et disparaissent rapidement à notre échelle.
Le chat est-il vivant ET mort ?
E. Schrödinger a imaginé une expérience de pensée pour montrer le caractère paradoxal de la physique quantique appliquée à notre échelle : un chat est enfermé dans une boîte avec un atome radioactif dont la désintégration déclenche l’emission d’un gaz mortel dans la boîte. Si l’atome est à la fois non désintégré ET désintégré, alors le chat est à la fois vivant ET mort ! Pourtant, quand nous ouvrons la boîte, nous observons toujours le chat vivant OU mort.
(photo © Christian Schirm)
Intrication Quantique
La physique quantique permets à deux objets ou plus d’exister dans des états de superposition très spéciaux appelés états intriqués. Alors qu’une mesure de l’un des objets intriqués donne un résultat
complétement aléatoire déterminé lors de la mesure elle-même, cette mesure détermine également instantanément l’état des autres objets, et ce quelque soit la distance qui les sépare.
Albert Einstein a rejeté le concept d’intrication quantique, le qualifiant « d’action fantôme à distance ».
L’intrication constitue une ressource pour stocker, transférer et traiter l’information.
(photo © shutterstock.photo)
INÉGALITÉS DE BELL
J. Bell a compris qu’il existe des expériences (mesure d’inégalités de Bell) permettant de vérifier si le monde est réellement décrit par la seule physique quantique, ou si l’intrication pourrait en fait être décrites par des variables cachées classiques attachées aux objets intriqués. Ces expériences ont montré que de telles variables cachées locales ne peuvent exister.
(photo © Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences)
Violation de l’inégalité de Bell
A. Aspect et son équipe ont utilisé des paires de photons intriqués produites par une source brillante. Les deux photons d’une paire étaient séparés puis mesurés « par surprise » sans qu’ils puissent communiquer entre eux la façon dont ils étaient mesurés. Ils donnaient des résultats à la fois totalement aléatoires chacun, mais exactement opposés l’un à l’autre, sans avoir pourtant embarqué d’informations cachées lors de leur séparation.
Prix Nobel de physique 2022
Le prix Nobel de physique 2022 récompense 3 physiciens ayant mis en évidence ce phénomène bizarre qu’est l’intrication quantique, ouvrant ainsi la voie du traitement quantique de l’information : Alain Aspect,
John Clauser, et Anton Zeilinger.