Une brève expliquation de la physique et la mécanique quantique
La physique classique, telle que nous la connaissons tous, décrit de manière ponctuelle notre environnement quotidien macroscopique. Mais les physiciens se sont rendu compte que cet ensemble de théorie devient obsolète quand il s'agit de décrire l'environnement microscopique. Les systèmes quantiques, tels que les atomes et les particules élémentaires, se comportent d'une manière différente des systèmes classiques, avec une quantification spécifique de l'énergie et des propriétés probabilistes qui rendent leur description plus complexe et éloignée de l'intuition basée sur l'expérience quotidienne.
Quantifiaction de l'énergie
Dans un système quantique, l'énergie n'est pas échangée de manière continue mais par valeurs dites "quanta". Celles-ci sont des unités indivisibles. Autrement dit, l'énergie d'un système quantique ne peut prendre que des valeurs spécifiques et distinctes.
Comportement et aspects des particules subatomiques
Les particules subatomiques, telles que les électrons, ne suivent pas les lois classiques de la physique. Leur comportement est décrit par des équations probabilistes. On ne peut donc pas prédire avec certitude leur position ou leur vitesse, mais seulement calculer des probabilités. Ces particules ont également des propriétés ondulatoires, et leur état est souvent décrit par des fonctions d'onde. Ces ondes caractérisent la probabilité de trouver une particule dans une certaine position ou état d'énergie.
Un système probabiliste
L'article cea sur la mécanique quantique nous dit :
la physique classique décrit différemment un corpuscule (atome, particule) et une onde (lumière, électricité)
tandis que la mécanique quantique confond les deux descriptions :
un photon, un électron, un atome ou même une molécule sont à la fois onde et corpuscule.
En physique classique, on décrit un système par la certitude de sa position et de sa vitesse à un moment t précis.
En revanche, en physique quantique, cette certitude n'est plus pertinente. Un système quantique a la capacité d'occuper une superposition cohérente d'états, reflétant ainsi toutes les possibilités qui lui sont offertes. La localisation du système et son niveau d'énergie deviennent alors sujets à des probabilités.
Prenons l'exemple d'un atome. Ce dernier peut silmutanément occuper son état fondamental stable et un état excité. État caractérisé par une énergie supérieure résultant, par exemple, de l'absorption d'un photon.
C'est en partie grâce à ces découvertes, qu'au cours du XXe siècle, notre civilisation a connu une première révolution quantique.
Rendre à César ce qui appartient à César
Si j'ai la chance de pouvoir appeler mes proches grâce à mon téléphone, ou faire des recherches sur l'univers quantique, c'est bien grâce à la toute première révolution quantique.
Elle englobe les inventions du transistor (1947), du laser (années 50-60), et des mémoires Flash de notre électronique actuelle (années 80-90).
Le monde quantique a eu un impact sur plusieurs plans :
- Conceptuel
- Philosophique
- Et dans de nombreuses applications technologiques comme l'énergie nucléaire, l'imagerie médicale par résonance magnétique nucléaire, la diode, le transistor, le circuit intégré, microscope électronique et le laser
Rendons à César ce qui appartient à César, et rendons hommage à ceux qui ont contribués à la première révolution quantique en lui donnant la lumière qu'elle aurait dû avoir.
Car un siècle après son émergence, la physique quantique est omniprésente dans la recherche. Elle s'applique à la chimie théorique, la mécanique quantique, la théorie quantique des champs, la physique nucléaire, des particules, la physique statistique quantique, l'astrophysique, la gravité quantique, et a récemment étendu son influence à la formalisation mathématique.
Très récemment c'est en informatique qu'on utilise la physique quantique avec par exemple l'élaboration d'ordinateurs quantiques bien plus puissant que les ordinateurs que nous utilisons.
Le monde quantique est à l'aube d'une deuxième révolution pleine de promesses.
L'informatique quantique
L'informatique quantique est un des axes explorés pour atteindre la deuxième révolution quantique. Il se base sur des phénomènes décrits par la mécanique quantique, comme l'intrication quantique ou la superposition quantique.
Nos ordinateurs codent habituellement l'information sous forme binaire, soit en utilisant des 0 et des 1. Si un bit classique pouvant prendre la valeur 0 OU 1, il est désormais possible de créer ce qu'on appelle un bit quantique (ou qubit pour quantum binary digit) pouvant prendre les valeurs 0 ET un 1 en même temps grâce à la superposition quantique
Un qubit construit à partir d'un matériau supraconducteur peut stocker 4 bits quantiques en même temps. Cela signifie que ce petit élément quantique, de la taille d'environ 1 cm², peut effectuer simultanément 2^4 = 16 calculs différents. Ainsi, un ordinateur quantique pourrait traiter de multiples informations en parallèle, ce qui offre un énorme potentiel pour résoudre certains problèmes complexes de manière beaucoup plus rapide que les ordinateurs classiques. C'est ce qu'on appelle la puissance de calcul quantique et cela ouvre des perspectives intéressantes pour l'informatique avancée.
En effet avec les ordinateurs conventionnels on utilise des millards de transitors pour effecturer les grosses opérations rapiement. Avec un ordinateur quantique, il suffirait de 300 qubit pour générer plus de résultat que le nombre d'atomes dans notre univers observable ! L'université de Sherbrooke partage leur enthousiasme dans leur article :
Ça paraît être un rêve lointain, mais les 5 dernières années de recherche fondamentale semblent montrer qu'il y a beaucoup d'espoir.
des compagnies comme Google, IBM, Intel ou Microsoft y croient aussi. Certaine comme Microsoft développement leurs language. Et c'est précisement de ça dont il est question pour ma veille technologique.
Q#
Maintenant que vous êtes bien installé dans le monde quantique, nous pourrons d'ici la semaine prochaine commencer à se familiariser avec Q#.
Avant ça, voyons ce qu'est concrètement Q#.\
Q# (prononcé "Q sharp") est un langage de programmation développé par Microsoft spécifiquement pour le traitement quantique. Il s'agit d'un langage de haut niveau conçu pour permettre aux développeurs de travailler sur des ordinateurs quantiques et de simuler des algorithmes quantiques sur des ordinateurs classiques. Voici ce que dit Microsoft à propos de Q# :
Le langage de programmation Q# utilise des éléments connus des langages Python, C# et F#. Il prend en charge un modèle de procédure de base permettant l’écriture de programmes avec des boucles, des instructions if/then ainsi que des types de données courants.Il introduit également de nouvelles structures et opérations de données spécifiques au quantum, telles que la répétition jusqu’à la réussite, qui permettent l’intégration de calculs quantiques et classiques. Par exemple, le contrôle de flux d’un programme classique peut s’appuyer sur le résultat d’une mesure quantique.
Q# fait partie d’Azure Quantum Development Kit, qui fournit une prise en charge complète de l’IDE et des outils pour la visualisation et l’analyse des programmes. D'ici la semaine prochaine, mon objectif sera de prendre en main Azure Quantum et comprendre les bases de la programmation quantique.
Ce qu'il faut garder à l'esprit
Nous sommes à l'aube d'une deuxième révolution quantique. À en croire les dires de Flavien Vottero, directeur d’études chez Xerfi et auteur de l'étude La révolution de l’informatique quantique, cette technologie pourrait émerger au grand publique d'ici les prochaines années.
Jusqu'à il y a un an environ, on était encore en phase de R&D dans des laboratoires. En France, il s'agit surtout de laboratoires publics comme l'Inria ; aux États-Unis, il s'agit à la fois de recherche publique et privée. Aujourd'hui, on entre dans le cadre du développement de démonstrateurs. C'est-à-dire qu'en France, les appels d'offres mis en place par l'Inria portent sur le développement, par Quandela par exemple, de solutions pour démontrer la viabilité technologique. Ça, ce sera pour 2022. Ensuite, à partir de 2025, on aura des démonstrateurs pour la viabilité économique par rapport à l'informatique traditionnelle. L'industrialisation des véritables ordinateurs quantiques, c'est pour 2028-2030, pour un déploiement à l'échelle des supercalculateurs traditionnels. Tout cela pour des usages du quantique fonctionnant sans bruit, sans correction, soit le quantique de rêve.
Nous avons négligé les portées de la première révolution quantique.
Négliger la deuxième serait une grossière erreur de notre part. La mécanique quantique est sur le point de propulser l'informatique vers une autre dimension. Et nous allons essayer d'effleurer une initiation à cet univers, aussi abstrait qu'il puisse paraître.
Ressources
1. Wikipedia (2024) Informatique quantique. https://fr.wikipedia.org/wiki/Informatique_quantique (page consultée le 8 février 2024)
2. Wikipedia (2024) Physique quantique. https://fr.wikipedia.org/wiki/Physique_quantique (page consultée le 9 février 2024)
3. Université de Sherbrooke (année inconnue) La physique quantique https://www.usherbrooke.ca/physique/vulgarisation/la-physique-quantique (page consultée le 10 février 2024)
4. Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (2019) L'ESSENTIEL SUR... La mécanique quantique. https://www.cea.fr/comprendre/Pages/physique-chimie/essentiel-sur-mecanique-quantique.aspx#:~:text=Par%20ailleurs%2C%20la%20physique%20classique,la%20fois%20onde%20et%20corpuscule (page consultée le 9 février 2024)
5. Microsoft (2024) Que sont Q# et les Azure Quantum Development Kit?. https://learn.microsoft.com/fr-fr/azure/quantum/overview-what-is-qsharp-and-qdk (page consultée le 10 février 2024)
6. Les numérique (2021) Informatique quantique : où en est-on ?. https://www.lesnumeriques.com/pro/informatique-quantique-ou-en-est-on-a172469.html (page consultée le 9 février 2024)
7. France Culture - Youtube (2021) Comprendre la physique quantique grâce au principe d'incertitude - Avec Étienne Klein. https://www.youtube.com/watch?v=6Oc-X4px5a4 (page consultée le 8 février 2024)
8. L'Usine Nouvelle (2021) [L’instant tech] Au CNRS, une nouvelle approche du calcul quantique basée sur des qubits nanomécaniques. https://www.usinenouvelle.com/editorial/l-instant-tech-au-cnrs-une-nouvelle-approche-du-calcul-quantique-basee-sur-des-qubits-nanomecaniques.N1141227 (page consultée le 10 février 2024)
9. Trust My Science (2020) Des physiciens filment la transition quantique d’un atome. https://trustmyscience.com/physiciens-filment-transition-quantique-atome/ (page consultée le 9 février 2024)
10. Futura Science (2013) Donald Glaser, l'inventeur de la chambre à bulles, est décédé. https://www.futura-sciences.com/sciences/actualites/physique-donald-glaser-inventeur-chambre-bulles-decede-45023/ (page consultée le 10 février 2024)
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