Comprendre les qubits et les phénomènes quantiques

Le qubit, au coeur du calcul quantique

Comme nous l'avons vu, l'informatique quantique remplace le bit classique par le qubit, ou quantum bit. Lorsqu'il est mesuré de la manière habituelle, un qubit fournit lui aussi un résultat 0 ou 1. Mais avant cette mesure, son état peut être beaucoup plus riche.

Un qubit est décrit par une combinaison de deux états de référence, généralement notés |0⟩ et |1⟩. Chacun possède une amplitude qui contribue à déterminer la probabilité du résultat lors de la mesure. La relation entre ces amplitudes, notamment leur phase, est essentielle : c'est elle qui permet aux états quantiques d'interférer entre eux.

Le qubit n'est donc pas simplement un bit qui pourrait prendre davantage de valeurs. C'est un système quantique dont l'état peut être préparé, transformé et combiné avec celui d'autres qubits.

La superposition n'est pas une simple incertitude

On résume souvent la superposition en disant qu'un qubit est "0 et 1 en même temps". Cette image est pratique pour débuter, mais elle peut être trompeuse. Plus précisément, le qubit possède un état quantique constitué d'une combinaison de |0⟩ et |1⟩. Lors de la mesure, un seul résultat est obtenu : 0 ou 1.

Prenons un qubit préparé de manière à donner 0 et 1 avec la même probabilité. Une mesure unique donnera uniquement l'un des deux résultats. En répétant plusieurs fois exactement la même préparation et la même mesure, on observera progressivement une répartition proche de 50 % pour chaque résultat.

Mais cette situation n'est pas équivalente au lancer d'une pièce de monnaie. Dans un système classique, l'incertitude traduit simplement notre ignorance du résultat. Dans une superposition quantique, les différentes composantes possèdent également une phase et peuvent interagir les unes avec les autres par interférence.

L'interférence permet d'agir sur les probabilités

Les états quantiques se comportent sur certains aspects comme des ondes. Lorsque plusieurs composantes d'un état se rencontrent, leurs amplitudes peuvent se renforcer ou s'annuler. Ce phénomène est appelé interférence.

Cette propriété est fondamentale pour le calcul quantique. Un algorithme quantique ne se contente pas de créer de nombreuses possibilités : il organise les opérations de manière à favoriser certaines amplitudes et à en réduire d'autres. La mesure finale a alors davantage de chances de produire un résultat intéressant.

C'est l'une des raisons pour lesquelles l'idée selon laquelle un ordinateur quantique "teste toutes les solutions en même temps" est insuffisante. Toutes les informations présentes dans une superposition ne peuvent pas être directement récupérées lors de la mesure.

Quand plusieurs qubits deviennent un seul système

Avec plusieurs qubits apparaît un autre phénomène essentiel : l'intrication. Deux qubits intriqués partagent un état quantique qui ne peut plus être décrit comme deux états complètement indépendants. Il faut considérer l'ensemble comme un système unique.

Leurs résultats de mesure peuvent alors présenter des corrélations particulières. Dans une paire préparée de manière appropriée, mesurer le premier qubit et obtenir 0 peut par exemple impliquer que la mesure du second donnera également 0. Le même principe peut s'appliquer au résultat 1.

Ces corrélations peuvent subsister même lorsque les systèmes sont éloignés. Cela ne signifie toutefois pas que les qubits s'envoient instantanément des informations : l'intrication ne permet pas de communiquer plus vite que la lumière.

Des propriétés puissantes, mais fragiles

Pour qu'un calcul fonctionne, ces propriétés doivent être préservées suffisamment longtemps pour effectuer les opérations nécessaires. Or un qubit est sensible à son environnement. Température, champs électromagnétiques ou autres interactions peuvent perturber son état et lui faire perdre ses propriétés quantiques : c'est la décohérence.

Toute la difficulté consiste donc à contrôler précisément les qubits sans détruire l'information qu'ils portent. Dans le chapitre suivant, nous verrons comment les quantum gates et les quantum circuits utilisent ces phénomènes pour construire un véritable calcul.