Faire de la physique quantique avec un seul atome

Michèle Leduc

Cet article poursuit les analyses proposées par Reflets de la Physique sur les sciences et technologies quantiques à l’honneur dans le cadre de la célébration des 100 ans de la physique quantique lancée en février 2025. Après une introduction historique sur la physique quantique d’Elisabeth Giacobino (n°81), un entretien avec Sara Ducci sur la communication quantique (n°82), un résumé des interprétations de la mécanique quantique par Franck Laloë (n°83), voici un point sur la simulation quantique. Cet article vient dans ce numéro de Reflets de la Physique en complément de ceux de Thierry Lahaye sur le calcul et la simulation quantiques avec des matrices d’atomes de Rydberg, page 7, et de David Wilkowski et Vincent Mancois sur les atomes ultrafroids piégés dans des champs optiques superoscillants, page 12. Il se présente comme un panorama très général des objectifs et des méthodes de ce riche domaine de la physique où s’impliquent avec succès un nombre important de laboratoires et de startups en France.

Claude N. Cohen-Tannoudji

J. Leite Lopes

Michèle Leduc

Cet article poursuit les analyses proposées par Reflets de la Physique sur les sciences et technologies quantiques à l’honneur dans le cadre de la célébration des 100 ans de la physique quantique lancée en février 2025. Après une introduction historique sur la physique quantique d’Elisabeth Giacobino (n°81), un entretien avec Sara Ducci sur la communication quantique (n°82), un résumé des interprétations de la mécanique quantique par Franck Laloë (n°83), voici un point sur la simulation quantique. Cet article vient dans ce numéro de Reflets de la Physique en complément de ceux de Thierry Lahaye sur le calcul et la simulation quantiques avec des matrices d’atomes de Rydberg, page 7, et de David Wilkowski et Vincent Mancois sur les atomes ultrafroids piégés dans des champs optiques superoscillants, page 12. Il se présente comme un panorama très général des objectifs et des méthodes de ce riche domaine de la physique où s’impliquent avec succès un nombre important de laboratoires et de startups en France.

demeurel

BERNARD, Nicolas

Un ordinateur est un objet physique effectuant des opérations logiques, il a donc nécessairement besoin d’un substrat physique pour faire ces opérations. Aussi, si la théorie qui sous-tend l’informatique doit beaucoup aux mathématiciens (Turing pour n’en citer qu’un), c’est la physique qui a rendu la réalisation concrète des ordinateurs possible, qu’ils soient réalisés avec des relais électromécaniques, des tubes électroniques ou des transistors. Et cela ne s’arrête pas là : par exemple, d’une part la miniaturisation de ces derniers dans les processeurs fait que les phénomènes quantiques doivent être pris en compte (les électrons risquent de passer d’un fil à un autre par effet tunnel), d’autre part l’accroissement de la vitesse d’horloge rend concrète la barrière qu’est la vitesse de la lumière. Si les ordinateurs ne sont possibles qu’avec une théorie physique suffisamment évoluée, il y a une rétroaction qui se crée, car la physique a beaucoup bénéficié du développement des ordinateurs. Ceux-ci rendent en effet possibles des calculs – d’abord numériques, mais également symboliques – qu’il serait difficile de faire « à la main », pour des questions de temps et « d’erreurs humaines ». Cette possibilité a ouvert la voie à des simulations dans pratiquement toutes les branches de la physique, et ces simulations ont à leur tour pratique- ment créé de nouvelles branches, telle la théorie du chaos. En 1982, Richard Feynman déplorait cependant que les simulations informatiques de processus quantiques ne fussent pas efficaces, et suggérait qu’elles pourraient être bien plus rapides si l’ordinateur était lui-même « quantique » [2]. Dans ce document, nous allons d’abord revenir (chapitre 1) sur ce point et expliquer ce que pourrait faire différemment un ordinateur « quantique ». Nous décrirons ensuite (chapitre 2) les bases théoriques du calcul quantique tel que pourrait le pratiquer un ordinateur de ce type. Nous verrons finalement (chapitre 3) avec l’exemple de l’algorithme de Shor et de la Tranformation de Fourier Quantique qu’au-delà des simulations de processus quantiques, un ordinateur quantique pourrait accélérer dramatiquement d’autres opérations. Nous conclurons sur quelques approches possibles pour la réalisation d’un ordinateur quantique et sur l’existence d’autres applications de la mécanique quantique liées à l’informatique et à la communication qui ne nécessitent pas forcément un tel ordinateur, ainsi que sur des aspects plus philosophiques du calcul quantique.