L’avantage quantique atteint avec des photons

Sean Bailly

Alain Aspect

Christopher Sicotte

L’informatique graphique constitue un domaine central de l’informatique moderne, avec des applications majeures en divertissement interactif, en simulation scientifique et en visualisation de données complexes. Elle regroupe un ensemble de techniques visant à modéliser, simuler et représenter des environnements visuels, souvent tridimensionnels, en s’appuyant sur des fondements mathématiques et physiques. Parmi les problématiques fondamentales de ce domaine figurent la modélisation de scènes 3D, le calcul de l’illumination réaliste et la synthèse d’image. Ces tâches impliquent des calculs intensifs, dont la complexité augmente rapidement avec le niveau de réalisme recherché et la taille des scènes considérées. La loi de Moore, qui a longtemps soutenu la croissance exponentielle des performances, atteint aujourd’hui des limites physiques et énergétiques. Dans ce contexte, l’exploration de nouveaux paradigmes de calcul devient essentielle pour continuer à repousser les limites de l’informatique graphique. Parmi ces paradigmes émergents, l’informatique quantique se distingue par sa capacité théorique à traiter certaines classes de problèmes plus efficacement que les ordinateurs classiques. Bien qu'encore émergente, cette technologie pourrait offrir un avantage significatif dans des domaines comme la simulation physique réaliste, le rendu global, l'optimisation des ressources ou encore la génération procédurale, où les approches classiques ont de la difficulté à faire face à la croissance exponentielle des données et des calculs nécessaires. Fondée sur les principes de superposition, d’intrication et d’interférence, elle permet de manipuler l’information de manière fondamentalement différente. Néanmoins, malgré ces promesses, l’informatique quantique demeure à un stade encore préliminaire, et l’existence d’un avantage quantique concret dans des applications graphiques reste une question ouverte. Dans ce contexte, mon mémoire vise à analyser le potentiel de l’informatique quantique appliquée à l’informatique graphique à travers une revue critique des travaux existants. Une analyse critique de l’avantage quantique est proposée dans ce contexte, en discutant ses conditions d’existence, ses limites actuelles et ses perspectives futures.

Bernard Diu

Sébastien Tanzilli

Le concept d’interférométrie quantique en lumière blanche est introduit et appliqué à la mesure de dispersion chromatique avec une précision inégalée.Dans cette présentation, nous introduirons d’abord le concept de l’interférométrie quantique en lumière blanche avec un état N00N à deux photons (N = 2). Nous montrerons que la phase optique peut être déduite de la mesure d’un interférogramme dans le domaine spectral. Hormis le doublage de la sensibilité en phase, nous montrerons également que l’interférométrie quantique apporte plusieurs avantages importants qui dépassent les capacités de l’interférométrie en lumière blanche standard. Par exemple, la version quantique ne nécessite pas que l’interféromètre soit équilibré, permettant ainsi des séries de me- sures avec des échantillons possédant diverses épaisseurs et/ou propriétés optiques. Par ailleurs, pour les mesures de la dispersion chromatique, le traitement des données est considérablement simplifié. Ceci est rendu possible grâce à l’intrication en énergie-temps portée par les paires de photons qui induit l’annulation automatique du terme (parasite) de la dispersion au troisième ordre. L’exploitation de ces avantages nous a permis d’effectuer une mesure de la dispersion chromatique dans une fibre optique standard (longueur de 1 m) avec une précision qui dépasse l’état de l’art par un facteur 2.6, bien que nous utilisions ∼ 20 fois moins de photons en moyenne sur la fenêtre spectrale d’observation, par rapport aux meilleurs réalisations classiques. La combinaison des avantages fondamentaux (sensibilité en phase doublée) et conceptuels (pas de nécessité d’équilibrer l’interféromètre, traitement de données simplifié, moins de photons nécessaires) permet d’effectuer les mesures dans des temps comparables à ceux des appareils classiques. Notre approche représente ainsi une méthode très intéressante pour les applications de la métrologie quantique en dehors du laboratoire.

Rex Antonio da Costa. Medeiros, Gérard Cohen

Dans cette these, nous generalisons la capacite a zero-erreur de Shannon. Nous definissons la capacite a zero-erreur quantique (CZEQ) comme etant le supremum des taux dans lesquels l’information classique peut etre transmise a travers un canal quantique avec probabilite d’erreur egale a zero. Le protocole de communication restreint les mots de code a des produits tensoriels d’etats quantiques d’entree, tandis que des mesures collectives entre plusieurs sorties du canal sont permises. Le probleme de calculer la CZEQ est formule en utilisant des outils de la theorie des graphes. Nous demontrons que la capacite a zero-erreur d'un canal quantique dans un espace de Hilbert de dimension D peut toujours etre atteinte par des ensembles d’etats quantiques purs. Par rapport aux mesures, nous avons montre que des mesures de von Neumann collectives sont necessaires et suffisantes pour atteindre la capacite. Nous analysons si la CZEQ est une generalisation non-triviale de la capacite a zero-erreur de Shannon. Le terme “non-triviale” veut dire qu’il y a des canaux quantiques pour lesquels la capacite ne peut etre atteinte qu’avec deux ou plus utilisations du canal, et que la capacite ne peut etre atteinte que par des ensembles S contenants des etats non-orthogonaux. Nous calculons la CZEQ de plusieurs canaux quantiques. En particulier, nous presentons un canal quantique pour lequel nous conjecturons que la CZEQ ne peut etre atteinte que par un ensemble d’etats quantiques non-orthogonaux et par un code de longueur deux ou plus. Finalement, nous demontrons que la CZEQ est bornee superieurement par la capacite d’Holevo-Schumacher-Westmoreland.