Comment la mécanique quantique va changer l’industrie technologique

Richard Feynman a un jour dit : « Si vous pensez que vous comprenez la mécanique quantique, alors vous ne comprenez pas la mécanique quantique. » Même si cela peut être vrai, cela ne signifie pas que nous ne pouvons pas essayer. Après tout, où serions-nous sans notre curiosité innée ?

Pour comprendre le pouvoir de l’inconnu, nous allons démêler les concepts clés derrière la physique quantique — deux d’entre eux, pour être exact (ouf !). C’est tout à fait abstrait, en réalité, mais c’est une bonne nouvelle pour nous, car vous n’avez pas besoin d’être un physicien théoricien lauréat du prix Nobel pour comprendre ce qui se passe. Et qu’est-ce qui se passe ? Eh bien, découvrons-le.

Poser les fondements

Nous allons commencer par une brève expérience de pensée. Le physicien autrichien Erwin Schrödinger (SDGR ) veut que vous imaginiez un chat dans une boîte scellée. Jusqu’à présent, tout va bien. Imaginez maintenant un flacon contenant une substance mortelle placé à l’intérieur de la boîte. Qu’est-ce qui est arrivé au chat ? Nous ne pouvons pas le savoir avec certitude. Ainsi, jusqu’à ce que la situation soit observée, c’est-à-dire que nous ouvrions la boîte, le chat est à la fois mort et vivant, ou en termes plus scientifiques, il est dans une superposition d’états. Cette expérience de pensée célèbre est connue sous le nom de paradoxe du chat de Schrödinger, et elle explique parfaitement l’un des deux phénomènes principaux de la mécanique quantique.

La superposition dicte que, tout comme notre chat bien-aimé, une particule existe dans tous les états possibles jusqu’au moment où elle est mesurée. « Observer » la particule détruit immédiatement ses propriétés quantiques, et voilà, elle est à nouveau régie par les règles de la mécanique classique.

Les choses sont sur le point de devenir plus compliquées, mais ne soyez pas découragé — même Einstein a été pris de court par l’idée. Décrit par l’homme lui-même comme « une action étrange à distance », l’intrication est une connexion entre une paire de particules — une interaction physique qui aboutit à leur état partagé (ou à son absence, si l’on suit la superposition).

L’intrication dicte qu’un changement dans l’état d’une particule intriquée déclenche une réponse immédiate et prévisible de la particule restante. Pour mettre les choses en perspective, lançons deux pièces intriquées en l’air. Ensuite, observons le résultat. La première pièce est-elle tombée sur face ? Alors la mesure de la pièce restante doit être pile. En d’autres termes, lorsqu’elles sont observées, les particules intriquées contrecarrent les mesures les unes des autres. Pas besoin d’avoir peur, cependant — l’intrication n’est pas si courante. Pas encore, en tout cas.

Le héros probable

« Quel est l’intérêt de toutes ces connaissances si je ne peux pas les utiliser ? », vous demandez peut-être. Quelle que soit votre question, il y a probablement une réponse avec un ordinateur quantique. Dans un ordinateur numérique, le système nécessite des bits pour augmenter sa puissance de traitement. Ainsi, pour doubler la puissance de traitement, vous doubleriez simplement la quantité de bits — ce qui n’est pas du tout similaire dans les ordinateurs quantiques.

Un ordinateur quantique utilise des qubits, l’unité de base de l’information quantique, pour fournir des capacités de traitement inégalées même par les supercalculateurs les plus puissants du monde. Comment ? Les qubits superposés peuvent traiter simultanément un certain nombre de résultats potentiels (ou d’états, pour être plus cohérent avec nos segments précédents). En comparaison, un ordinateur numérique ne peut traiter qu’une seule opération à la fois. De plus, grâce à l’intrication, nous pouvons amplifier exponentiellement la puissance d’un ordinateur quantique, en particulier lorsqu’on la compare à l’efficacité des bits traditionnels dans une machine numérique. Pour visualiser l’échelle, considérez la quantité de puissance de traitement que fournit chaque qubit, et doublez-la.

Rien n’est parfait

Mais il y a un hic — même les plus légères vibrations et les changements de température, appelés « bruit » par les scientifiques, peuvent faire disparaître les propriétés quantiques et les faire disparaître complètement. Même si vous ne pouvez pas observer cela en temps réel, ce que vous allez vivre, c’est une erreur de calcul. La disparition des propriétés quantiques est appelée décohérence, et c’est l’un des principaux obstacles lorsqu’il s’agit de technologies reposant sur la mécanique quantique.

Dans un scénario idéal, un processeur quantique est complètement isolé de son environnement. Pour ce faire, les scientifiques utilisent des réfrigérateurs spécialisés, appelés réfrigérateurs cryogéniques. Ces réfrigérateurs cryogéniques sont plus froids que l’espace interstellaire, et ils permettent à notre processeur quantique de conduire l’électricité avec pratiquement aucune résistance. C’est ce qu’on appelle un état supraconducteur, et cela rend les ordinateurs quantiques extrêmement efficaces. En conséquence, notre processeur quantique nécessite une fraction de l’énergie qu’un processeur numérique utiliserait, générant ainsi beaucoup plus de puissance et beaucoup moins de chaleur dans le processus. Dans un scénario idéal, en tout cas.

Un (nouveau) monde de possibilités

La prévision météorologique, la modélisation financière et moléculaire, la physique des particules… les possibilités d’application de la computation quantique sont à la fois énormes et prometteuses.

Cependant, l’une des perspectives les plus alléchantes est peut-être celle de l’intelligence artificielle quantique. En effet, les systèmes quantiques excellent dans le calcul des probabilités pour de nombreux choix possibles — leur capacité à fournir un feedback continu à des logiciels intelligents est sans égale sur le marché d’aujourd’hui. L’impact estimé est immeasurable, s’étendant sur des domaines et des industries — de l’intelligence artificielle dans l’industrie automobile à la recherche médicale. Lockheed Martin (LMT ), le géant aérospatial américain, a été rapide pour réaliser les avantages, et utilise déjà son ordinateur quantique pour tester les logiciels de pilotage automatique. Prenez des notes.

Les principes de la mécanique quantique sont également utilisés pour résoudre des problèmes de cybersécurité. La cryptographie RSA (Rivest-Shamir-Adleman), l’une des méthodes d’encryption de données les plus utilisées au monde, repose sur la difficulté de factoriser (très) grands nombres premiers. Même si cela fonctionne avec les ordinateurs traditionnels, qui ne sont pas particulièrement efficaces pour résoudre des problèmes à plusieurs facteurs, les ordinateurs quantiques peuvent facilement casser ces encryptions grâce à leur capacité unique à calculer de nombreux résultats simultanément.

Théoriquement, la distribution de clés quantiques prend soin de cela avec un système d’encryption basé sur la superposition. Imaginez que vous essayez de transmettre des informations sensibles à un ami. Pour ce faire, vous créez une clé d’encryption en utilisant des qubits, qui sont ensuite envoyés au destinataire via un câble optique. Si les qubits codés avaient été observés par un tiers, vous et votre ami auriez été avertis par une erreur inattendue dans l’opération. Cependant, pour maximiser les avantages de la distribution de clés quantiques, les clés d’encryption devraient maintenir leurs propriétés quantiques à tout moment. Plus facile à dire qu’à faire.

De la nourriture pour la réflexion

Cela ne s’arrête pas là. Les esprits les plus brillants du monde entier tentent constamment d’utiliser l’intrication comme un mode de communication quantique. Jusqu’à présent, les chercheurs chinois ont réussi à transmettre avec succès des paires de photons intriqués via leur satellite Micius sur une distance record de 745 miles. C’est la bonne nouvelle. La mauvaise nouvelle, c’est que sur les 6 millions de photons intriqués transmis chaque seconde, seul un couple a survécu au voyage (merci, décohérence). Un exploit incroyable néanmoins, cette expérience décrit le type d’infrastructure que nous pourrions utiliser à l’avenir pour sécuriser les réseaux quantiques.

La course quantique a également vu une récente avancée majeure de QuTech, un centre de recherche à TU Delft aux Pays-Bas — leur système quantique fonctionne à une température supérieure d’un degré à zéro absolu (-273 degrés Celsius).

Alors que ces réalisations peuvent sembler insignifiantes pour vous et moi, la vérité est que, essai après essai, de telles recherches révolutionnaires nous rapprochent d’un pas vers la technologie de demain. Une chose reste inchangée, cependant, et c’est la réalité flagrante que ceux qui parviennent à exploiter avec succès le pouvoir de la mécanique quantique auront la suprématie sur le reste du monde. Comment pensez-vous qu’ils l’utiliseront ?