Comment fonctionne le calcul quantique

Un programme construit comme un circuit

Un ordinateur classique transforme des bits à l'aide d'opérations logiques. Un ordinateur quantique suit une idée comparable : il applique une succession d'opérations aux qubits. Ces opérations sont appelées quantum gates.

L'ensemble de ces opérations forme un quantum circuit. Chaque ligne du circuit représente généralement un qubit et les opérations sont disposées dans l'ordre où elles doivent être appliquées. Les diagrammes se lisent habituellement de gauche à droite : l'état initial est progressivement transformé jusqu'à la mesure finale.

Le circuit constitue ainsi une représentation du programme exécuté par le processeur quantique.

De l'état initial au résultat

Les quantum gates transforment les qubits

Une quantum gate ne ressemble pas physiquement à une porte électronique classique. Il s'agit d'une opération contrôlée qui modifie l'état d'un ou de plusieurs qubits. Certaines agissent sur un seul qubit, tandis que d'autres permettent de créer des interactions entre plusieurs qubits.

La porte X peut, de manière simplifiée, être rapprochée du NOT classique : elle échange les états |0⟩ et |1⟩. La porte Hadamard, souvent notée H, permet notamment de créer une superposition à partir d'un état de base. Une porte contrôlée comme CNOT agit sur deux qubits et joue un rôle important dans la création d'états intriqués.

En combinant ces opérations, un algorithme construit progressivement la transformation recherchée.

La mesure ne révèle qu'une partie de l'état

Le calcul se termine généralement par une mesure. Celle-ci produit une information classique : chaque qubit mesuré fournit un résultat tel que 0 ou 1. L'état quantique complet n'est donc pas directement accessible à la sortie.

Comme les résultats sont probabilistes, un circuit est souvent exécuté plusieurs fois. On obtient alors une distribution des différents résultats observés. L'algorithme est conçu pour que les bonnes réponses apparaissent avec une probabilité suffisamment élevée pour pouvoir être identifiées.

C'est pourquoi un algorithme quantique ne consiste pas simplement à créer le plus grand nombre possible de superpositions. Il doit organiser les transformations et les interférences afin que la mesure finale fournisse une information utile.

Du programme abstrait à la machine réelle

Un quantum circuit décrit le calcul souhaité, mais il doit encore être adapté au processeur qui va l'exécuter. Les machines ne disposent pas toutes des mêmes quantum gates ni des mêmes connexions entre qubits. Certaines opérations doivent donc être réorganisées ou décomposées avant l'exécution.

Un workflow quantique peut ainsi comporter plusieurs étapes : traduire le problème en circuit, optimiser ce circuit pour le matériel disponible, l'exécuter, puis traiter les résultats obtenus. IBM formalise notamment cette approche dans son workflow Qiskit.

La longueur et la complexité du circuit ont également leur importance. Plus un calcul comporte d'opérations, plus les qubits doivent conserver leur état quantique longtemps, alors même qu'ils restent sensibles aux erreurs et à la décohérence.