Ordinateurs quantiques

• Stocke des Qbits, "bits quantiques" qui peuvent prendre une infinité d'états
   

• L'état d'un  Qbit ne reste stable que quelques microsecondes ce qui introduit des erreurs ou du "bruit" dans les calculs, donc des imprécisions

• La machine doit être refroidie à -273 degrés afin que les qbits soient isolés du monde extérieurs afin qu'ils ne se modifient pas accidentellement.

• Elle doit être protégée des interférences magnétiques pour la même raison

• Fin 2021, IBM dévoilait un ordinateurs avec 127 Qbits et espère arriver à 433 en 2022 et 1121 en 2023.

• Un ordinateur quantique opérationnel n'est attendu que pour les années 2030

Questions:

• En fait de "quantique", ne serait-ce pas simplement un bit qui peut prendre un grands nombre d'états par exemple en modifiant son spin?
   

• Qu'y a-t-il de quantique là dedans?

Bases de la physique quantique

1. Superposition quantique:
   Dans l'infiniment petit, il existes des particules qui n'ont pas d'état défini mais qui en prennent un lorsqu'on les mesure. On pourrait dire qu'avant la mesure, la particule possède tous les états possibles superposés. Mais lorsqu'on la mesurée, il y a effondrement quantique et la particule redevient normale, "0" ou "1".
   
   QUESTION:  Comment sait-on que la particule a tous les états superposés puisqu'on ne peut pas la mesurer sans la modifier?
    

2. L'intrication quantique:
   On prend un particule sans spin. Elle se désintègre en 2 particules quantiques qui peuvent avoir chacune un spin. On sépare les 2 particules de plusieurs kilomètres. On mesure le spin de la première et immédiatement après celui de la deuxième. On trouve un spin UP pour la première et DOWN pour la seconde. 
   On pourra mesurer le spin des 2 particules. Si la première est UP, la seconde sera toujours DOWN.
   
   QUESTION: Comment crée-t-on des particules quantiques?
   
   Comment peuvent-elles communiquer? En fait elles ne communiquent pas, elles constituent un seul et unique système, bien que séparées. Leur état change plus vite que la lumière parce qu'en fait il n'y a pas de communication.
    

3. Dans un ordinateur quantique, les Qbits n'ont pas que 2 états possibles, ils en ont une infinité. C'est pour ça qu'ils peuvent calculer plus vite parce qu'ils peuvent obtenir d'un seul coup tous les états possibles.
    

4. Un ordinateur quantique à 4 qbits va calculer 16 fois plus rapidement qu’un ordinateur classique à 4 bits, et ainsi de suite. On double la puissance d’un ordinateur quantique à chaque fois qu’on lui ajoute un qbit !
    

5. Pour un bit classique, on a soit alpha =0 et béta = 0 (c’est l’état 0), soit alpha = 0 et béta = 1 (c’est l’état 1). Pour un qbit, ces coefficients (alpha et béta) peuvent prendre n’importe quelle valeur (tant que alpha ² + béta ² = 1). Un ordinateur quantique fait varier les coefficients alpha et béta  grâce à des portes quantiques (l’analogue des portes logiques classiques).
   
   au lieu d’avoir une série de bits indépendants les uns des autres comme dans un ordinateur classique, on les intrique, de sorte à ce que l’ensemble des qbits dans l’ordinateur forme un unique système quantique, et non une série de systèmes isolés.
    

6. Un des algorithmes quantiques particulièrement prometteurs en informatique quantique est l’algorithme de Grover, qui permet de trouver un élément dans une liste : un numéro de téléphone associé à un nom, le code-barre associé à un produit, ou n’importe quel élément dans un gros jeu de données.

   Imaginez que vous ayez un magasin de peinture qui vende 8 produits différents, chacun doté d’un code-barres :

   • Peinture rouge : 000

   • Peinture jaune : 001

   • Peinture bleue : 010

   • Verte : 011, rose : 100, magenta : 101, marron : 110, noire : 111

   On cherche à savoir quelle est la couleur associée à tel ou tel code-barres de manière automatisée. Évidemment ça paraît absurde tellement le catalogue de peinture est petit, mais imaginez la même situation avec 5000 couleurs et 5000 code-barres !

   Comme les solutions simples ne vous attirent pas, vous décidez de résoudre le problème avec la physique quantique ! Vous créez un ordinateur quantique à 3 qbits, qui se trouvent donc avant toute mesure dans une superposition de 8 états différents, chacun correspondant à une peinture. Autrement dit :

   • Peinture rouge : correspond au coefficient a

   • Peinture jaune : correspond au coefficient b

   • Peinture bleue : correspond au coefficient c

   • Verte : d, rose : e, magenta : f, marron : g, noire : h

   Vous créez aussi un circuit de portes quantiques qui a la caractéristique « d’augmenter » le coefficient associé à la peinture recherchée.

   Une fois l’ordinateur programmé, on lui « envoie » un qbit neutre dont les coefficients sont égaux.

   Après avoir fait plusieurs tours dans le circuit de l’ordinateur, ce qbit va ressortir dans un état superposé, mais avec le coefficient lié à la peinture recherché bien plus élevé que les autres. Lorsque l’on fait une mesure, on peut théoriquement tomber sur n’importe quel état, mais comme le coefficient associé à un état reflète la probabilité de tomber sur cet état lors de la mesure, on tombe avec une quasi-certitude sur le bon état.

   Ainsi les algorithmes quantiques sont souvent probabilistes : ils ne renvoient pas la bonne réponse à coup sûr, mais on peut faire en sorte qu’ils donnent la réponse avec une probabilité très proche de 1.
    

7. Une porte quantique permet de modifier l’état d’un qbit, tout comme une porte logique classique modifie l’état d’un bit. Pour modifier l’état d’un qbit, on utilise souvent des ondes électromagnétiques envoyées à une fréquence spécifique.
    

8. Qu'est-ce qu'un qbit? Comme l’information à traiter est de nature quantique, le support utilisé doit être microscopique. Jusque-là, les scientifiques ont utilisé des noyaux atomiques, des ions, des électrons ou même de simples photons.
    

9. Faire en sorte que les qbits gardent leurs propriétés quantiques malgré leur manipulation via les portes quantiques est très délicat : c’est surtout sur ces problématiques que les scientifiques travaillent actuellement. Le prix Nobel de physique 2012 a été décerné aux chercheurs qui ont réussi à faire des mesures sur des objets quantiques sans les détruire, ouvrant de nouvelles possibilités pour l’informatique quantique.
    

Sources:

• https://www.institut-pandore.com/physique-quantique/informatique-ordinateur-quantique/

Article d'Olaf

20230725_Technologie quantique: Maîtres des défauts

20230806_Exposé de Julien Bobroff (1h30)

Sur la physique quantique

https://www.youtube.com/watch?v=SA1uzOa7K2c

www.infinisciences.org
 

Notes prises au fil de l'exposé

Calcul avec ordinateur quantique: 3 minutes.
Même calcul avec super ordinateur classique: 10'000 ans.

Physique quantique = loi de la physique à toute petite échelle.
Si on regarde un électron ou un photon, de nouvelles propriétés apparaissent. Nous sommes au niveau d'un atome.

On sait la calculer, la prédire, on la comprend du point de vue scientifique, mais elle reste incompréhensible du point de vue de notre intuition. Elle reste troublante bien qu'on puisse la calculer.

C'est la physique quantique qui permet de comprendre les propriétés de la matière.

Si je saute, normalement je devrais traverser le sol car je suis fait essentiellement de vide, tout comme le sol. Donc normalement, lorsque je saute, je devrais traverser le sol lorsque je retombe. Un atome, c'est 99,9% de vide. C'est la physique quantique qui explique pourquoi je ne traverse pas le sol.

Avant la physique quantique, on croyait que la lumière était une onde. Mais c'est aussi des grains, les photons.

Le charbon et le diamant sont faits des mêmes atomes et pourtant leurs propriété sont totalement différentes. Ce sont les mêmes atomes mais ils ne sont pas reliés de la même manière. C'est la phsique quantique qui permet de comprendre pourquoi les électrons du charbon ne se comportent pas de la même manière que ceux du diamant.

Lorsque de la lumière se pose sur mon pull bleu par exemple, toutes les couleurs sont absorbées par la laine et seule la couleur de mon pull, le bleu, est renvoyée. C'est pour ça qu'on le voit bleu.

Les aimants, on ne les comprend pas sans la quantique. Pourquoi le fer colle à un aimant et pas le cuivre, qui est pourtant aussi un métal? Une fois qu'on a compris le principe, on peut inventer, par exemple une nouvelle lumière, celle du laser ou d'une LED.

Dans une lampe à incandescence, le 95% est perdu en chaleur. La lumière ne représente que 5%. Par contre, dans une LED, le 90% de l'électricité qui l'alimente est transformé en lumière. Chaque électron est transformé en photon. Le transistor a également été invenmté grâce à la physique quantique.

La physique quantique est le dernier champ d'application de la pensée humaine.

Comment alors l'expliquer? D'habitude on commence par le quanta, dont Max Planck a eu l'intuition en 1900. En 1905, Albert Einstein invente la notion de dualité et de photons (effet photo-électrique). En 1911 Nils Bohr propose deux modèles atomiques. Mais la science n'est pas faite que de théoriciens géniaux, elle est faite à 90% de gens qui font une expérience qui donne un résultat inattendu qu'il faut ensuite expliquer. On ne comprend pas que ce qu'on mesure est un truc bizarre. On va donc voir les théoriciens et on échafaude ensemble une nouvelle théorie.


L'expérience la plus importante

Commencée en 1951 dans le Bell Labs aux USA et qui a duré 7 ans. Cette entreprise de téléphonie se pose la question: " comment nos câbles vont-ils survivre dans le temps?". Clint Davisson et Lester Germer étudient la chose. Ils prennent un bout de nickel et le bombardent avec des atomes, des ions, puis avec des électrons. Ils s'aperçoivent alors que les électrons ne pénètrent pas dans le nickel mais rebondissent. Ils se disent alors que ce serait peut-être une façon de voir la forme des atomes. Ils essaient mais ça ne marche pas du tout.

On chauffe un filament, qui expulse alors des électrons. On les accélère et on concentre le faisceau avec une forte tension positive et on les envoie sur une cible de nickel. Un détecteur est placé de biais en face de la cible et détecte ce qui revient. Il ne comprennent pas ce qui se passe.

Et puis le labo explose et ils doivent tout recommencer. Et là ils voient que le nickel qui a fondu s'est cristallisé. Les atomes se sont organisés et sont rangés de manière régulière. Ils se disent alors que si le flux d'électrons vise contre les atomes, ils sont réfléchis, et inversément s'ils visent entre les atomes. Or Davisson va à une conférence de Max Born sur la physique quantique à Cambridge où il explique l'intuition du Français Louis de Broglie qui pense que la matière pourrait être une onde. Einstein avait eu la même idée au sujet de la lumière, composée de photons (des grains) qui seraient en même temps des ondes. La matière serait donc aussi une onde. Mais pour qu'on voie la matière sous forme d'une onde, il faut qu'elle soit très petite et pas trop chaude.

Mac Born explique alors que la courbe de l'expérience de Davisson et Germer n'est pas le rebond des électrons sur les cristaux mais que le flux d'électrons est en réalité une onde, c'est sa définition, et que cette onde se réfracte sur les cristaux. Le problème, c'est que si on observe cette onde, elle se transforme en "grain". Donc tant qu'on ne le regarde pas, le flux est une onde. Dès qu'on le regarde (on le mesure), le flux se bloque et devient un "grain". Qui apparaît dans le flux d'onde mais n'importe où à chaque fois.

Mais alors question "comment savoir que c'est une onde si chaque fois que je veux la mesurer elle se transforme en grain?"

Réponse: par des astuces de mesure. C'est ce qu'on fait en physique quantique.

On fait passer l'onde par deux trous. Comme c'est une onde elle passe par les deux trous à la fois et se remélange en sortie. Lorsqu'on la mesure, on a à chaque fois un point, mais ce point est sur le trajet de l'onde et pas ailleurs, si bien que si on fait un tas de mesures, on fini par reconstituer la forme de l'onde.

On peut même faire passer des molécules par les deux trous, ça marche aussi (jusqu'à un certain point).

Des savants allemands ont alors eu l'idée d'utiliser ce flux d'électrons pour faire un microscope hyper sensible, le microscope électronique, qui permet de "voir" au niveau d'un atome. Ils ont remplacé la lumière du microscope normal par un flux d'électrons, une onde.

Le grand principe de la physique quantique c'est que vous ne pouvez pas la mesurer. Dès que vous le faites, l'onde se fige et vous ne voyez qu'un grain.
 

La quantification quantique
Les particules quantiques peuvent avoir des niveaux bien précis mais pas de niveaux intermédiaires.
 

La superposition d'états
Une particule quantique peut avoir deux états à la fois, être à deux endroits la fois, avoir deux aimantations différentes à la fois.
 

Le chat de Schrödinger

Comme une particule quantique, un chat peut-il être dans 2 états à la fois, mort et vivant? Non. Alors question, quand une particule quantique cesse-t-elle de l'être? Comment un atome peut-il être quantique et un chat pas?

Réponse: lorsqu'il est environné d'autres atomes, qui ont chacun des états différents, il n'arrive pas à se lier avec eux, à s'intriquer. C'est ce qui explique que lorsqu'on tente de mesurer un atome quantique qui a deux états (ou plus) à la fois, l'appareil de mesure, composé lui aussi d'atomes, bloque l'état de l'atome quantique à un point de tous les états possibles et ne montre donc qu'un point.

Donc, dès qu'un objet quantique est environné d'autres objets, il perd sa cohérence et se bloque dans un seul état. Ce blocage dépend du nombre d'objets qui l'environnent. Effet découvert par Serge Haroche, prix Nobel français.

Donc: une particule est une onde tant qu'on ne la regard pas, qu'on n'interagit pas avec elle. Si on le fait, on "tue" l'aspect ondulatoire de la particule. Donc une particule, qui est en deux endroits à la fois, de bloque à un de ces deux endroits lorsqu'on la regarde, elle perd sa cohérence quantique.

Donc on ne pourra jamais faire ça avec un être vivant parce que, pour qu'il soit quantique, il devrait être dans le noir absolu, à une température de zéro absolu et dans l'ultra vide. En gros, l'effet quantique s'arrête à partir de 10 atomes.


L'ordinateur quantique

Oui mais comment ça marche?

Un bit c'est un "0"ou un "1" dans l'informatique normale. Dans un ordinateur quantique, les bits s'appelent des qbits et ont simultanément tous les états possibles entre "0" et "1".

Si l'ordinateur a 2 qbits et que j'en rajoute un, je double sa capacité, c'est exponentiel.

L'ordinateur quantique ne peut pas remplacer un ordinateur normal car il ne peut utiliser que certains algorithmes.

Ce qu'il faut:

• fabriquer des bits quantiques

• tous les superposer

• garder le tout longtemps en vie. En fait 100 microsecondes car après c'est la décohérence.

• lire le résultat à la fin

• savoir écrire un programme. Langage: celui de la physique quantique (quel est ce langage, exemple)
   

• problème le plus critique: les erreurs: 1 erreur sur 1000 opérations.
  PC: 1 erreur sur 1 milliard de milliards d'opérations.
  solution: utiliser un FEC. Mais il faut 1000 bits de correction pour 1 bit utile!
  
  Exemple d'ordinateur; celui de  Google à 53 qbits.

L'être humain est-il quantique?

oui et non.
Car chacun de ses atomes est quantique mais tous ensemble ils ne peuvent pas l'être (chaleur, lumière et vide, donc décohérence).


Le futur?

Améliorer les cellules photovoltaïques, basées sur des phénomènes quantiques. Idem pour la supraconductivité.


L'intrication

On prend 2 corpuscules et on les intrique (comment?) c'est-à-dire que ces deux particules peuvent être décrites avec la même onde. On sépare les deux particules (qq mètres à qq milliers de km) qui sont alors cohérentes. J'en mesure une ce qui stoppe sa cohérence et montre un état, disons haut. Instantanément l'autre particule montre l'état inverse, ici bas. C'est systématique et répétitif.
 

Qu'est-ce qu'une onde?

Onde: https://fr.wikipedia.org/wiki/Onde

Wikipedia: "une onde est un champ, c'est-à-dire une zone de l'espace dont les propriétés sont modifiées".

Moi j'aurais tendance à dire, en parlant de l'onde électro-magnétique, que c'est une énergie qui se propage à distance à la vitesse de la lumière. "Energie" parce que je peux en mesurer la puissance. Je viens de m'acheter d'occase un bolomètre ultra sensible qui permet de mesurer des pico Watts. Mon bolomètre habituel est une thermo résistance dont on mesure l'échauffement provoqué par l'onde à mesurer. Avec le nouveau, c'est une diode dont on a étalonné la détection, raison pour laquelle on peut mesurer de très petites puissances.
 

La théorie

• Isotope
  Les isotopes sont des atomes qui possèdent le même nombre d'électrons – et donc de protons, mais avec un nombre différent de neutrons. On connaît actuellement environ 325 isotopes naturels et 1200 isotopes créés artificiellement. Un isotope fissile est un élément chimique dont le noyau atomique peut subir une fission nucléaire sous l'effet d'un bombardement par des neutrons rapides. Le seul isotope fissile naturel est l'uranium 235.
   

• Ion
  Atome (ou groupe d'atomes) chargé électriquement. Veut dire que le nombre de protons n'égale pas le nombre d'électrons. S'il y a plus d'électrons, le ion est négatif et s'appelle un anion. S'il y a plus de protons, le ion est positif et s'appelle un cation.
   

• 
   
• Les rayonnements:
  
  - Alpha (α) corpusculaire
  Emis par un atome radioactif. C'est un flux de noyaux d'Hélium composé de 2 protons et de 2 neutrons.
  S'arrête facilement, par exemple avec une feuille de papier.
  
  - Bêta (β) corpusculaire
  C'est un flux d'électrons chargé électriquement ce qui le rend dangereux.
  Les particules Bêta sont arrêtées par une simple feuille d'aluminium, de verre ou de plexiglas.

  - Gamma (γ) ondulatoire
  C'est un rayonnement électro-magnétique composé de photons à haute énergie.
  Difficile à arrêter. Il faut 6cm de plomb, 30cm de béton ou 54cm de terre.
  
  - X ondulatoire
  Formé de photons. Utilisé pour observer à travers la matière.
  Protection: idem rayons Gamma.

   
  (Source Wikipedia)
   

• Rayonnements ionisants
  Rayonnement capable de produire des ions lorsqu'il traverse de la matière. Les principaux rayonnements ionisants sont les rayons X et les Gamma. Ils sont produits par la radioactivité d'atomes, par exemple,  d'uranium ou de plutonium. Ils sont nocifs pour les êtres vivants. Fréquence: à partir de 850 THz, le début des rayons ultra-violets.
   

• Tableau périodique des éléments (tableau de Mendeleev)
  http://www.hb9afo.ch/articles/computer/tableau%20periodique%20des%20elements.jpg
   

• Accident de criticité https://fr.wikipedia.org/wiki/Accident_de_criticit%C3%A9
   

• Le voyage fantastique des particules dans un accélérateur
  https://www.youtube.com/watch?v=kRO4pZTociI
   

• Accélérateurs de particules (1)
  https://www.youtube.com/watch?v=TauOtMT4NWk
   

• La dualité ondes-corpuscules
  https://www.youtube.com/watch?v=iRIJLMstfx4
   

• Mécanique quantique, la mesure
  https://www.youtube.com/watch?v=v3eSu9ac7Wk